聚乳酸纳米纤维球晶多孔材料的制备及其结构性能研究

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球晶是聚合物最常见的、最重要的一类结晶形态,球晶以晶核为中心,由晶核开始,片晶以辐射状三维生长而成的球形晶体。大部分球晶是存在于本体材料中的晶体,难以通过物理或化学方法将其以独立的形态分离。本研究以聚乳酸(PLLA)或尼龙.6(PA)为原料,通过热致相分离法(TIPS)结合自乳化法和非溶剂相分离法,制备一系列PLLA球晶、PLLA多孔微球和PA球晶。具体研究结果总结如下:1)以PLLA为原料,乙腈(AN)为溶剂,不添加其它任何添加剂,通过简单TIPS法,将PLLA溶液淬冷至亚稳态使其发生液.液相分离(经历成核与晶体生长),制备了独立形态的PLLA球晶。通过控制淬火时间,观察独立形态球晶的生长过程,即由小捆束纤维到大捆束纤维(菜花状)到球晶的转变。随着淬火时间延长,PLLA球晶的晶型由α’转变为α(分子链堆积更紧密、更稳定)。在相同的淬火时间和温度下,低浓度有利于捆束状纤维的形成,而高浓度有利于球晶的形成。然而以AN为溶剂制备的PLLA球晶成膜性差,球晶表面的纤维末端含有大量颗粒。改用四氢呋喃(THF)为溶剂,PLLA球晶成膜性变好,球晶表面纤维更加光滑均一。淬火时间从30 min增加到90 min,捆束或球晶半径从11.21±2.43 μm增加到24.59±3.62μm;浓度从3 wt%增加到7 wt%,捆束半长度或球晶半径从10.36±1.32 μm增加到34.00±8.70μm。与以AN为溶剂研究结果相似,THF为溶剂低浓度有利于形成捆束,而高浓度形成球晶。通过TIPS和非溶剂相分离法相结合制备了PA球晶,球晶由中心向外辐射生长的纤维组成。研究了萃取剂、PA浓度、淬火温度和淬火时间等因素对球晶形貌影响。实验结果表明:水为萃取剂得到粗纤维或颗粒,乙醇为萃取剂得到多孔微球(球晶)。淬火时间0-15 min得到了直径为0.413±0.074 gm纤维,淬火时间60-240 min得到了球晶,随着淬火时间延长球晶变得更加均一、规整,且直径由19.14±3.62μm增加到30.53±3.71 gm。5℃和10℃淬火得到纤维状、芽片状或捆束状,而15℃淬火得到球晶。浓度从3 wt%增加到7 wt%时,球晶的直径由15.54±2.11μm增加到23.21±3.32 gm。球晶的结晶度最高达62.1%。TIPS方法除了制备独立形态PLLA球晶、PA球晶,还可制备其它线形聚合物独立形态球晶,如聚碳酸酯(PC)和聚甲醛(POM)等。通过控制各种参数,如溶剂、聚合物浓度、淬火温度和时间等参数,可制备得到纤维状、捆束状、片状和球晶结构。独立形态球晶为多孔材料增加了一种新形态,并为其他结晶或非结晶性高分子的独立形态的纳米纤维球晶材料的构建提供参考技术和机理。2)通过等温与非等温DSC模拟TIPS过程研究PLLA在THF溶液中结晶动力学。等温结晶过程中,利用Avrami方程得到了Avrami指数,2和结晶速率常数K,当PLLA浓度从3wt%增加到7 wt%,,7和K分别从2.12和0.38 min-n增加到2.29和1.68 min-n,由此说明浓度增加结晶速率增大,PLLA在THF溶液中为异相成核和三维生长。利用Lauritzen-Hoffman方程发现结晶Ⅲ区向Ⅱ区转变,且成核参数分别为Kg(Ⅲ)=0.44×105 (K2)和Kg(Ⅱ)=0.19×105 (K2)。非等温结晶过程中,利用Avrami方程得到表观Avrami指数行为2.93,然而Ozawa方程并不适合于此体系。但是Avrami-Ozawa联用方程非常适用于本体系,并通过此方法计算得到非等温结晶Ozawa指数垅值为2.29。当浓度由3 wt%增加到7 wt%,等温结晶活化能ΔE(Arrhenius方法)从-141.13 kJ/mol减小到.163.68 kJ/mol,而非等温结晶活化能ΔE(Kissinger方法)从-97.19 kJ/mol减小到110.49 kJ/mol,说明PLLA在THF溶液中的结晶过程是无障碍、自发进行的且浓度越高结晶越容易。3)以PLLA球晶多孔膜作为油水分离材料,研究其对硅油、十二醇、石蜡和机油的吸附容量及其油水分离性能。实验结果表明:PLLA球晶多孔膜的水接触角为141.8°,比表面积和孔隙率分别高达13.9 m2/g和92.1%,与流延膜相比水接触角约增加了70°球晶多孔膜对四种油的吸附容量均大于12 g/g,为流延膜的14-19倍。吸油容量的增加主要与球晶多孔膜高孔隙率和大比表面积,及其材料表面和内部的微/纳结构有关。由于超疏水性和亲油性及毛细管效应,PLLA球晶多孔膜可以快速吸收漂浮在水面上的油层,是一种理想的油水分离材料。4)将PLLA/THF溶液分散在甘油(连续相)中,通过自乳化结合TIPS制备一系列PLLA多孔微球,微球由捆束状纳米纤维组成。通过改变PLLA浓度、(PLLA/THF)甘油值、溶剂种类以及淬火温度等条件研究所得多孔微球结构与形貌。结果表明PLLA浓度为2-5 wt%、(PLLA/THF)甘油=1:3、-20℃和.196℃淬火均能得到形状规整的PLLA多孔微球。多孔微球孔隙率和比表面积最高可达95.44%和32.53 m2/g。PLLA多孔微球对牛血清蛋白的药载量为0.355 mg/mg,30 h内释放率达到59.8%,是一种非常良好的药物缓释载体。
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