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Arid
DOI10.27162/d.cnki.gjlin.2021.005700
静电喷纺三维膜材料的形貌调控及其应用研究
周贵宾
出版年2021
学位类型硕士
学位授予单位吉林大学
中文摘要静电喷雾、静电纺丝是快速连续生产微纳米级微粒/纤维的重要技术。其中静电喷雾用于制备微粒及多孔涂层,静电纺丝用于制备具有互穿孔洞的三维纤维膜,其设备成本低廉、操作简单方便,在生物医药、储能材料、光电器件、过滤吸附等多领域具有广泛的应用。然而,连续微粒或纤维由于结构简单,膜材料性能单一,限制了其进一步的应用。自然界生物体内存在不同尺度孔径的生物膜,经过长时间的演化,展现出了独特的结构与性能。受自然界存在的生物膜启发,通过静电喷雾/纺丝原液组成的设计及加工参数的调控,对微粒/纤维形貌与结构进行可控制备,获得具有多样性拓扑结构的三维膜材料,赋予其在特定环境中独特的智能响应性,为解决多孔膜材料在实际应用过程中存在的问题提供了新的思路。本文受到自然界中一些常见物质的启发,通过调控不同聚合物的组成及加工参数,结合静电喷雾与静电纺丝技术,成功制备出具有独特形貌的微粒/纤维,获得功能化复合膜材料,探究微观结构与性能之间的关系,开发出具有优异性能的仿生智能材料。主要研究内容分为以下两部分:(1)血液中的红细胞是一种双面凹的圆饼状,其独特的形状可以轻易通过毛细血管中最细的地方,将氧气和营养物质运送到身体的任何部位。本研究选用PLA和PVP两种无毒的聚合物,研究了两种聚合物质量比对溶液性质的影响,随着PVP含量的不同,分别得到纺锤状、红细胞状以及盘状三种形貌不同的微粒。这是由于在电场中射流不连续形成小液滴,液滴在固化过程中内外侧溶剂挥发速度不同形成浓度差,内部溶液向外补充,导致中心凹陷,形成红细胞状微粒,随着PVP含量增加,粘度降低,溶液流动性变好,内部溶剂向外补充时外部溶剂及时挥发,形成圆盘状微粒。通过TEM和XPS分析了微粒的微结构,发现两种聚合物在静电纺丝过程中发生了相分离,低表面能的PVP自发向外迁移,在微粒表面聚集形成壳层结构。进一步通过去离子水处理PLA/PVP微粒,确认了该PLA/PVP微粒核壳结构的构成。最后,我们通过MTT法对微粒膜的细胞毒性进行了测试,不同比例下的PLA/PVP微粒均对细胞毒性较低。因此,这种通过单针头制备的具有核壳结构的红细胞状微粒在载药方面有着潜在的应用。(2)沙漠甲虫可以在沙漠中生存,主要得益于其翅膀上的亲水纹理在空气中捕捉水份,同时下面的疏水凹槽将水份输送到其嘴中。我们模仿沙漠甲虫翅膀的结构及其较强捕捉空气中水份的能力,制备了一种PVA-PLA层级膜,用于捕捉雾气中的水份。顶层由静电喷菱角状的PVA微粒组成,在静电喷雾过程中,低浓度的PVA溶液不易形成连续射流,而形成许多小液滴,这些小液滴在电场中主要受重力和电场力的影响,由于电场力远大于重力,液滴在电场方向拉伸较快,在电场力方向上形成尖角状边缘,而蒸馏水作为溶剂,挥发性较差,液滴凝固时在重力作用下继续向下流动,在重力方向上形成圆弧状边缘,从而形成了菱角状微粒。底层由静电纺PLA纤维组成,由于使用滚筒作为接收装置,使得PLA纤维膜得到具有高度取向性。在集雾过程中,这种PVA-PLA层级膜顶层与底层相互配合,顶层菱角状的PVA微粒具有较大的表面积,有利于雾气中的水滴在上面附着并且凝聚,提高接收雾气的速度,而底层取向性的PLA纤维为水滴提供了导流通道,可以将收集到的水滴更快地运输出去。这种功能性的复合膜可以有效提高集雾效率,为解决全球淡水资源短缺提供了新的思路。
中文关键词静电喷雾 ; 静电纺丝 ; 红细胞状 ; 菱角状 ; 雾气收集
语种中文
国家中国
中图法分类号TQ340.64
资源类型学位论文
条目标识符http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/373361
作者单位吉林大学
推荐引用方式
GB/T 7714		 周贵宾. 静电喷纺三维膜材料的形貌调控及其应用研究[D]. 吉林大学,2021.
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