電紡絲磁性納米纖維膜材料的制備與表征

本文從以下三個方面進(jìn)行初步研究：

實(shí)驗(yàn)一、Fe?O?超順磁性納米粒子的制備與表面改性

目的：制備高分散的超順磁性Fe?O?納米粒子，并系統(tǒng)研究其理化性能，為進(jìn)一步制備超順磁性納米纖維膜材料奠定基礎(chǔ)。

材料與方法：基于共沉淀原理產(chǎn)生的“微乳液”方法，利用檸檬酸鈉與油酸改性劑調(diào)控，制備在分別水相/油相溶劑中實(shí)現(xiàn)高分散的超順磁性Fe?O?納米粒子；采用透射電鏡(transmission electron microscope，TEM)驗(yàn)證其分散性能，X射線衍射(x-ray diffraction，XRD)表征磁性納米粒子的晶型，傅立葉紅外光譜(fourier transform infrared spectrophotometry，F(xiàn)T-IR)分析其表面化學(xué)基團(tuán)，振動樣品磁強(qiáng)計(vibrating sample magnetometer，VSM)表征其磁學(xué)性能。

結(jié)果：成功制備出超順磁性Fe?O?納米粒子，TEM證實(shí)表面改性顯著改善粒子分散性；XRD檢測顯示本研究制備的Fe?O?為反尖晶石晶型，表面改性不改變粒子的晶型；FT-IR分析證實(shí)包裹在納米粒子表面的檸檬酸鈉與油酸的存在；VSM顯示Fe?O?納米粒子具有超順磁性，表面改性可以降低粒子飽和磁化強(qiáng)度。

結(jié)論：基于共沉淀原理產(chǎn)生的“微乳液”方法，可以獲得簡單易行的超順磁性Fe?O?納米粒子制備與改性方法。

實(shí)驗(yàn)二、電紡絲超順磁性Fe?O?/明膠納米纖維膜的制備與表征

目的：采用靜電紡絲法制備Fe?O?/明膠納米纖維膜，并系統(tǒng)研究其理化性能，初步表征其細(xì)胞生物相容性，為進(jìn)一步用于組織再生修復(fù)奠定基礎(chǔ)。

材料與方法：采用靜電紡絲工藝制備Fe?O?/明膠納米纖維膜；通過掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)觀察纖維膜三維形貌，TEM表征纖維膜中Fe?O?納米粒子的分散形式；采用XRD、FT-IR、VSM、TEM等方法系統(tǒng)研究纖維膜理化性能；通過拉伸試驗(yàn)測試其動態(tài)力學(xué)性能；采用四甲基偶氮唑鹽比色法(methyl thiazolyl tetrazolium，MTT)表征纖維膜細(xì)胞相容性，初步評價這種新型生物膜用于GTR/GBR的可行性。

結(jié)果：SEM觀測顯示電紡絲法制備的Fe?O?/明膠納米纖維膜具有纖維連續(xù)、光滑、直徑分布均勻的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，TEM表明纖維膜中Fe?O?納米粒子以散在的島狀分布；XRD顯示電紡絲工藝對Fe?O?晶型無明顯影響，F(xiàn)T-IR分析證實(shí)Fe?O?未與明膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，VSM表明纖維膜具有超順磁性；動念力學(xué)分析顯示Fe?O?納米粒子的摻雜能夠顯著提高纖維的剛性；MTT檢測顯示Fe?O?的摻雜可以有效促進(jìn)MG-63細(xì)胞在纖維膜上的生長和增殖。

結(jié)論：電紡絲法可以成功制備出超順磁性Fe?O?/明膠納米纖維膜，該纖維膜在引導(dǎo)組織再生領(lǐng)域是很有前景的支架材料。

實(shí)驗(yàn)三、超順磁性Fe?O?/殼聚糖/聚乙烯醇電紡絲納米纖維膜的制備與表征

目的：采用靜電紡絲法制備Fe?O?/CS/PVA復(fù)合納米纖維膜，并系統(tǒng)研究其理化性能，初步表征其細(xì)胞生物相容性，為進(jìn)一步用于組織再生修復(fù)奠定基礎(chǔ)。

材料與方法：采用靜電紡絲工藝制備Fe?O?/CS/PVA復(fù)合納米纖維膜；通過SEM觀察纖維膜三維形貌，TEM表征纖維膜中Fe?O?納米粒子的分散形式；采用XRD、FT-IR、VSM、TEM等方法系統(tǒng)研究纖維膜理化性能；通過拉伸試驗(yàn)測試其動態(tài)力學(xué)性能；采用MTT法表征纖維膜細(xì)胞相容性，初步評價這種新型生物膜用于GTR/GBR的可行性。

結(jié)果：SEM觀測顯示電紡絲法制備的Fe?O?/CS/PVA復(fù)合納米纖維膜具有纖維連續(xù)、光滑、直徑分布均勻的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，TEM表明纖維膜中Fe?O?納米粒子均勻分布；XRD顯示電紡絲工藝對Fe?O?與CS/PVA晶型無明顯影響，F(xiàn)T-IR分析證實(shí)Fe?O?與CS/PVA未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，VSM表明纖維膜具有超順磁性；動態(tài)力學(xué)分析顯示Fe?O?納米粒子的摻雜能夠顯著提高纖維的剛性；MTT檢測證實(shí)Fe?O?超順磁性納米粒子含量的增加可以有效促進(jìn)MG-63細(xì)胞在纖維膜上的生長和增殖。

結(jié)論：電紡絲法可以成功制備出超順磁性Fe?O?/CS/PVA復(fù)合納米纖維膜，該復(fù)合纖維膜在引導(dǎo)組織再生領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]

引導(dǎo)組織再生，靜電紡絲，纖維膜，超順磁性，F(xiàn)e?O?納米粒子。

靜電紡絲納米纖維膜能夠最大程度的仿生天然細(xì)胞外基質(zhì)的膠原纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一種良好的引導(dǎo)組織再生膜結(jié)構(gòu)。由于合成與天然可降解高分子材料本身所存在的缺陷，現(xiàn)在研究熱點(diǎn)發(fā)展到了合成，天然高分子功能性復(fù)合膜，以及納米粒子雜化纖維膜，以...>> 詳細(xì)

引導(dǎo)組織再生(guided tissue regeneration，GTR)和引導(dǎo)骨組織再生(guide bone regeneration，GBR)為解決牙根和種植體周圍骨量不足、牙槽嵴萎縮及其它骨缺損的修復(fù)提供了方向。如何利用結(jié)構(gòu)特征改變GTR/GBR膜生物活性，提高GTR/GBR術(shù)的效能成為研究熱點(diǎn)。

靜電紡絲納米纖維膜能夠最大程度的仿生天然細(xì)胞外基質(zhì)的膠原纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一種良好的引導(dǎo)組織再生膜結(jié)構(gòu)。由于合成與天然可降解高分子材料本身所存在的缺陷，現(xiàn)在研究熱點(diǎn)發(fā)展到了合成，天然高分子功能性復(fù)合膜，以及納米粒子雜化纖維膜，以滿足GTR/GBR組織工程的需要。

超順磁性納米粒子具有良好的塵物相容性和特殊的磁學(xué)效應(yīng)，被廣泛應(yīng)用與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，部分研究表明超順磁性納米粒子具有促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖作用。靜電紡絲超順磁性高分子納米纖維材料集合了電紡絲納米纖維膜材料與超順磁性納米粒子的特性，為發(fā)展具有骨誘導(dǎo)性能的GTR/GBR膜材料提供了新思路。

明膠納米纖維膜與殼聚糖(chitosan，CS)/聚乙烯醇(Poly(vinyl alcohol)， PVA)納米纖維膜是一種富有潛力的組織再生修復(fù)材料。然而超順磁性明膠納米纖維膜、超順磁性CS/PVA電紡絲納米纖維膜還沒有研究報道，超順磁性納米粒子的摻雜是否會影響這兩種電紡絲納米纖維膜的制備與性能還不清楚。

《靜電紡絲與納米纖維》以靜電紡絲技術(shù)的理論為基礎(chǔ)，系統(tǒng)介紹了靜電紡納米纖維的種類與結(jié)構(gòu)、功能化應(yīng)用及批量化制造。內(nèi)容涉及靜電紡絲技術(shù)的起源、發(fā)展以及基本原理；靜電紡納米纖維的種類、結(jié)構(gòu)、測試技術(shù)、表面功能化修飾技術(shù)；靜電紡納米纖維在生物醫(yī)學(xué)、過濾、個體防護(hù)、傳感、自清潔、催化、能源、光電磁、復(fù)合增強(qiáng)、食品工程、化妝品等領(lǐng)域的應(yīng)用研究；靜電紡納米纖維批量化制造設(shè)備及技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀?！鹅o電紡絲與納米纖維》可供靜電紡絲和納米纖維材料領(lǐng)域的研究人員閱讀，也可供高等院校相關(guān)專業(yè)的師生參考。

第1章緒論001

1.1　聚合物納米纖維與靜電紡絲的發(fā)展 002

1.1.1　納米纖維及其制備技術(shù) 003

1.1.2　靜電紡絲技術(shù)發(fā)展簡史 005

1.2　聚合物靜電紡絲技術(shù)分類與特點(diǎn) 010

參考文獻(xiàn) 013

第2章聚合物溶液靜電紡絲技術(shù)017

2.1　聚合物溶液靜電紡絲原理 018

2.1.1　泰勒錐 019

2.1.2　閾值（臨界）電壓 019

2.1.3　射流穩(wěn)定運(yùn)動段 020

2.1.4　射流不穩(wěn)定運(yùn)動段 021

2.1.5　射流直徑的計算 022

2.1.6　電暈現(xiàn)象 024

2.2　聚合物溶液靜電紡絲材料 025

2.3　聚合物溶液靜電紡絲設(shè)備 027

2.4　聚合物溶液靜電紡絲過程 032

2.4.1　溶液黏度 033

2.4.2　溶液表面張力和電導(dǎo)率 033

2.4.3　電場 034

2.4.4　收集距離 034

2.4.5　進(jìn)料速率 035

2.4.6　環(huán)境參數(shù) 035

參考文獻(xiàn) 036

第3章聚合物熔體靜電紡絲技術(shù)039

3.1　聚合物熔體靜電紡絲裝置 040

3.2　聚合物熔體微分靜電紡絲的提出 045

3.3　聚合物熔體靜電紡絲材料 049

3.4　聚合物熔體微分靜電紡絲射流間距的理論分析 051

3.4.1　射流間距的定義 051

3.4.2　射流間距分析模型的建立 052

3.4.3　射流間距模型的數(shù)學(xué)分析 053

3.5　聚合物熔體微分靜電紡絲射流間距的實(shí)驗(yàn)研究 058

3.5.1　勻強(qiáng)電場強(qiáng)度對射流間距的影響 060

3.5.2　最大電場強(qiáng)度對射流間距的影響 062

3.5.3　熔體黏度對射流間距的影響 065

3.5.4　進(jìn)給流量對射流間距的影響 066

3.6　小結(jié) 067

參考文獻(xiàn) 068

第4章聚合物靜電紡絲的模擬分析071

4.1　靜電紡絲建模相關(guān)研究進(jìn)展 072

4.2　熔體靜電紡絲中電場分布規(guī)律 074

4.2.1　有限元模擬方法簡介 074

4.2.2　電場模型建立與參數(shù)選擇 075

4.2.3　紡絲噴頭對電場分布規(guī)律的影響 084

4.2.4　不同接收電極的電場模擬和實(shí)驗(yàn)對比 090

4.2.5　輔助結(jié)構(gòu)對紡絲電場的影響 094

4.3　拔河效應(yīng)介觀模擬分析 096

4.3.1　耗散粒子動力學(xué)簡介 097

4.3.2　彈簧系數(shù)對拔河效應(yīng)的影響 101

4.3.3　聚合物鏈長對拔河效應(yīng)的影響 103

4.3.4　聚合物黏度對拔河效應(yīng)的影響 104

4.4　射流細(xì)化的理論分析 106

4.4.1　模型的建立 106

4.4.2　理論分析 108

參考文獻(xiàn) 112

第5章熔體微分靜電紡絲工藝115

5.1　電場 116

5.1.1　紡絲電壓對纖維直徑的影響 116

5.1.2　紡絲距離對纖維直徑的影響 119

5.2　分子量與熔體黏度 121

5.2.1　纖維的制備 122

5.2.2　聚合物分子量對熔體微分電紡纖維的影響 123

5.3　進(jìn)給流量 127

5.4　氣流輔助工藝 130

5.4.1　氣流輔助裝置 130

5.4.2　氣流速度與纖維直徑的關(guān)系 132

5.5　小結(jié) 133

參考文獻(xiàn) 134

第6章靜電紡絲的工業(yè)化技術(shù)137

6.1　溶液靜電紡絲工業(yè)化技術(shù) 138

6.1.1　多針頭靜電紡絲設(shè)備 138

6.1.2　無針多射流靜電紡絲設(shè)備 141

6.2　熔體靜電紡絲工業(yè)化技術(shù) 150

6.2.1　熔體微分靜電紡絲單噴頭設(shè)備 151

6.2.2　熔體微分靜電紡絲4噴頭設(shè)備 156

6.2.3　熔體微分靜電紡絲32噴頭設(shè)備 158

6.2.4　設(shè)備設(shè)計流程與關(guān)鍵點(diǎn) 163

參考文獻(xiàn) 164

第7章靜電紡絲納米纖維的應(yīng)用研究進(jìn)展167

7.1　靜電紡絲納米纖維在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用 168

7.1.1　高效過濾 169

7.1.2　催化氧化 170

7.1.3　吸附 172

7.1.4　固定酶及其他 176

7.2　生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用 177

7.2.1　藥物緩釋 178

7.2.2　組織工程 180

7.2.3　傷口敷料 183

7.2.4　小結(jié) 184

7.3　靜電紡絲納米纖維在能源領(lǐng)域的應(yīng)用 185

7.3.1　鋰離子電池材料 185

7.3.2　燃料電池材料 188

7.3.3　超級電容器材料 189

參考文獻(xiàn) 190

第8章靜電紡絲納米捻線199

8.1　概述 200

8.2　納米纖維捻線的制備方法 201

8.3　展望 208

參考文獻(xiàn) 208

第9章聚合物納米纖維靜電紡絲技術(shù)的未來211

索引 214 2100433B

本書依據(jù)作者研究團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的聚合物熔體微分靜電紡絲技術(shù)以及國內(nèi)外納米纖維靜電紡絲的最新研究進(jìn)展，從工藝的角度出發(fā)，著重介紹了熔體靜電紡絲技術(shù)的原理、模擬分析及工藝進(jìn)展，并介紹了熔體靜電紡絲的工業(yè)化技術(shù)及應(yīng)用，最后對聚合物納米靜電紡絲技術(shù)的未來進(jìn)行了展望。

本書可供從事納米纖維靜電紡絲及其相關(guān)領(lǐng)域研究的人員及高等院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生參考使用。