细菌纤维素基功能纳米复合材料的制备与性能

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纤维直径在1~100 nm尺度范围内的纳米纤维由于在环保过滤、防护、生物医用等领域有着广阔应用前景,近年来受到了研究人员的广泛关注。制备纳米纤维的方法除了常用的静电纺,还有生物合成,其中具有代表性的是木醋杆菌生物发酵制备细菌纤维素(Bacterial cellulose,BC)。BC是一种新型的天然纳米生物材料,与普通植物纤维素相比,它具有独特的物理化学性能,如高的拉伸强度,模量,化学纯度,结晶度,含水率以及大的比表面积,并具有良好的生物相容性和生物可降解性。正是由于这些特性,细菌纤维素在食品,生物医用材料,造纸等领域得到了广泛应用。本文采用动态和静态培养法制备了BC,并对其结构与性能进行了测试与表征,选用静态法制备的BC膜为有机基体,采用原位复合方法制备了硫化镉(CdS)/BC纳米复合材料,氯化银(AgCl)/BC纳米复合材料,并初步探究了纳米粒子在基体中的生长机理。主要研究内容如下:(1)使用动态与静态法制备了BC,研究了不同制备方法所得BC的结构与性能。在30℃条件下,静态法制备的BC微观结构是由20~80 nm直径的纤维素纤维组成的三维网络结构,其外观为膜状水凝胶且其持水率为98.5%,拉伸强度为52.6 MPa,模量为831.1 Mpa。在30℃条件下,动态培养制备的BC呈“雪花状”,其微观结构为1~10μm的带子状纤维组成的三维网络结构。在14℃条件下动态培养制备的BC呈“球状”,其三维网络结构为由1~2.5μm的带子状纤维素组成,带子强烈扭曲,结果证明该纤维素为无定形纤维素。(2)采用原位方法在不同条件下制备了CdS/BC纳米复合材料,利用扫描电镜,X射线衍射,热失重分析,紫外可见及荧光等测试方法对其结构与性能进行了表征。实验结果表明:当Cd(NO32和Na2S的浓度为10 mM时,制备的复合材料中CdS纳米粒子的粒径在300 nm左右且分布比较均匀。当Cd(NO32和Na2S浓度减小为1 mM时,制备的复合材料中CdS纳米粒子的粒径减小为30 nm左右,对其进行了紫外可见吸收及荧光光谱表征,结果表明:该复合材料中CdS纳米粒子的吸收峰为426 nm,与块体CdS材料吸收峰(515 nm)相比有90 nm的蓝移,显示了CdS纳米晶的量子限制效应。荧光光谱结果表明:CdS纳米粒子有两个发射峰分别为(417 nm,437 nm),与块体CdS材料的发射峰相比有60 nm的蓝移。(3)采用循环浸渍法在不同的条件下制备了AgCl/BC纳米复合材料,利用扫描电镜,X射线衍射,热失重分析等测试方法对其结构进行了表征。AgCl粒子的尺寸可以通过改变AgNO3和NaCl溶液的浓度来调节。结果表明:当AgNO3和NaCl溶液浓度为10 mM时制备的复合材料中AgCl纳米粒子团聚现象严重,且粒径分布不均匀。当浓度为1 mM的时制备的复合材料中AgCl纳米粒子粒径在20~100 nm之间。热失重分析表明该复合材料AgCl含量为12.6%。并对其进行了抗菌性能表征。结果表明:振荡烧瓶24小时后对抗大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率为100%。
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