納米纖維素基自愈合水凝膠的構建

徐藝倩,張麗穎,陳開留,陳俊為,盧麒麟

(閩江學院 福建省新型功能性紡織纖維及材料重點實驗室,福建 福州 350108)

自愈合材料具有通用性和實用性等諸多優點,適用于多個領域,其中包括水凝膠、彈性體和膜等。水凝膠是一種具有3D 結構的聚合物網絡材料,其網絡結構可以在自我修復中發揮重要作用[1]。具有共價和非共價交聯的自愈合水凝膠是自愈合聚合物的一種,由于其良好的生物相容性、在生理條件下損傷后快速愈合以及在生物領域的廣泛應用而受到人們的青睞[2]。超分子化學是成功制備自愈合材料的方法之一,其利用非共價鍵作用將兩者混合形成一種超分子化學結構,制備得到的自愈合材料可具備很好的相容性和動力學特點[3],在受到環境條件的刺激后,可以自行愈合,從而有效延長材料在各個領域的使用壽命。納米纖維素又名纖維素納米晶體,是一種直徑在1～100μm 之間的剛性線狀材料[4],具有較高的強度、楊氏模量、結晶度等特性[5],所以能夠在合成材料的原有基礎上體現出其性能;再者,其本身還具有一些獨特的特性,包括低密度、高靈活性、可降解和豐富性等,使納米纖維素可作為增強相廣泛應用于聚合物水凝膠基質中。明膠本身具有優良的成膜性和生物相容性,主要由羥脯氨酸、甘氨酸和脯氨酸以及成千上萬的—COOH、—NH2等基團組成,其生物性能和物理化學性質使其成為構筑自愈合材料的優越基材。綜合纖維素和明膠這2種天然高分子的特殊優良化學性質,構建納米纖維素基自愈合凝膠。利用TEM、FTIR、XRD、TG 及DTG 等手段對醛基納米纖維素進行表征,并分析其主要特性對構筑自愈合材料的作用。通過對制備得到的自愈合材料的應變和流變分析,了解自愈合材料的壓縮強度和楊氏模量的影響因素,分析其愈合效果及機理。

1 試驗部分

1.1 試劑及設備

1.1.1 試劑

試驗所用試劑見表1。

表1 試驗試劑

1.1.2 設備

試驗用操作設備與儀器見表2。

表2 操作設備

1.2 醛基納米纖維素的制備

分別稱取4份4.0 g纖維素放入球磨罐中,加入20 mL一定濃度的硫酸和2.0 g的NaIO4,進行球磨預處理。3 h后球磨機暫停,將瑪瑙球磨罐取出,再分別稱取4.0 g的NaIO4加入球磨罐繼續氧化處理3 h。球磨結束后,使用去離子水將瑪瑙罐中的樣品洗出放入大燒杯,量取25 mL的乙二醇溶液加入燒杯中,此目的是為了分解剩余的高碘酸鈉。用錫箔紙將其包裹遮光攪拌處理5 h,充分攪拌后,放入離心機,離心機的速度設為9 000 r/min,時間設置為8 min。倒掉上層液體,加入去離子水,重復此操作進行離心,待液體的p H 值達到中性后,采用高功率數控超聲波清洗器對樣品進行超聲處理。2 h后,再次使用離心機進行離心操作,設置轉速為5 000 r/min,每次時間設置為5 min。離心結束后,將上層的乳白色懸浮液收集并置于燒杯中,通過濃縮至需要的濃度,得到原料即為醛基納米纖維素,具體制備流程如圖1所示。

圖1 醛基納米纖維素制備流程圖

1.3 納米纖維素自愈合材料的制備

用燒杯稱取固含量5.86%醛基化后的納米纖維素樣品4.267 g,將一定量的硼砂置入其中溶解,使硼砂的濃度為0.1 mol/L,提前稱取一定量的四硼酸鈉并配置成0.1 mol/L的溶液置于燒杯中,75 ℃攪拌,加速其溶解。待溶解后,加入一定量的明膠并快速用玻璃棒攪拌,冷卻至室溫后,與先前制備好的醛基納米纖維素樣品混合,并快速攪拌均勻,保證兩者充分混合后置入12孔細胞培養板中定型,靜置后的材料即為自愈合水凝膠。

2 分析與討論

2.1 TEM 分析

由圖2可以看出,單根納米纖維素的長度為200～300 n m,直徑為25～50 n m[6]。單根的納米纖維素結構類似短棒狀,其表面的基團呈現出來的數量較多,比表面積較大,此特點有助于合成復合材料增強作用力以及提高其與其他材料作用的活化能。由于納米纖維素的單體內部氫鍵含有多羥基結構,導致有一部分單體參差交錯、分布不均,故而偶有團聚現象。

圖2 納米纖維素TEM 譜圖

2.2 FTIR分析

將納米纖維素原料以及球磨制備得到的醛基化后的樣品用傅里葉變換紅外光譜進行表征分析其化學結構,如圖3、表3所示。

圖3 納米纖維素原料和醛基化納米纖維素的紅外譜圖

表3 納米纖維素原料和醛基化納米纖維素內部特征官能團紅外吸收波數

被醛基化后的樣品與納米纖維素原料的吸收峰的位置幾乎相似,即基本特征峰均與納米纖維素原料相差不大,“紅移”和“藍移”的現象不太明顯,峰值出現的區域范圍在500～4 000 c m-1,說明醛基化處理后的納米纖維素仍保留著原始的結構特征。峰值在3 420 c m-1附近的羧基吸收峰較強,比較納米纖維素原料和醛基化后的納米纖維素的2個吸收峰,后者峰值相比前者高,醛基化后納米纖維素表面含有更多的—OH基團伸縮振動;此外,在2 934 c m-1處的吸收峰值表示—CH2的C—H 的伸縮振動[7];處于峰值為1 727 c m-1和1 641 c m-1之間是由C=O 伸縮振動引起的;由于C—O 的伸縮振動以及一部分納米纖維素表面的—OH 被醛基化,吸收峰的位置出現在1 030 c m-1和1 160 c m-1處,醛基前后的納米纖維素在該波段的吸收峰變化較大。綜上說明球磨后的納米纖維素原料的—OH 部分被醛基化并且減少了納米纖維素自身氫鍵的作用。

2.3 XRD分析

為了更好地了解納米纖維素原料以及球磨制備得到的醛基化后的樣品的晶體結構,使用X 射線衍射儀測其相對結晶度,得出二者的XRD 譜圖如圖4所示。

圖4 納米纖維素原料和醛基化納米纖維素的XRD譜圖

由圖4可得,納米纖維素原料的衍射峰在15.2°、22.8°、34.3°處較為明顯,而醛基化后的樣品在20.8°和26.8°處出現明顯的衍射峰,衍射峰越窄,說明其結晶度越高。在球磨時,由于受到較強的機械力作用,納米纖維素單體分子內部氫鍵被破壞,產生大部分無定形結構區。綜上所述,醛基化后的納米纖維素的結晶度與納米纖維素的原料相比,前者的結晶度由于結晶區被破壞后變小。

2.4 TG和DTG熱性能分析

運用熱分析儀對納米纖維素原料以及球磨制備得到的醛基化后的樣品進行熱穩定性表征。表征結果如圖5(a)、(b)所示,分別為納米纖維素原料和醛基化后的樣品的TG 譜圖與DTG 譜圖。

由圖5可得,在100℃附近二者出現熱失重的程度較小。在140℃以后,醛基化后的納米纖維素和納米纖維素原料的熱失重開始出現差異,在0～291 ℃之間納米纖維素原料的變化速率較慢,原因是其中含有較少的水分,故在該溫度區間損失的主要是水分[8];在291～377℃的溫度區間里,曲線呈現出明顯的下降趨勢,是由于納米纖維素分解迅速,碳連接的化學鍵斷裂導致其質量變小。與原料相比,醛基化后的納米纖維素在140～345℃的溫度區間里達到主要熱損失,這是由于其部分單元結構被破壞,致其形成的結構較不穩定。

圖5 納米纖維素原料和醛基化納米纖維素的TG 及DTG 譜圖

醛基化后的納米纖維素熱降解溫度比納米纖維素原料低,是因為醛基化后的納米纖維素部分自身的氫鍵斷裂以及內部的團聚現象減少,這使得醛基化后的納米纖維素在較低的溫度下產生吸熱分解,其穩定性降低[9]。

2.5 愈合材料愈合前后應變性能分析

壓縮應力-應變所指的是根據材料受到載荷壓縮的情況下產生形變的過程,研究中采用測量應變性能的儀器對納米纖維素自愈合材料進行力學表征,測量材料在自愈合前與自愈合后隨壓縮強度的改變,材料應變能力的變化的關系曲線。由圖6可得,納米纖維素自愈合材料的壓縮應變隨著應變能力的增大而增大,且在55%～70%產生屈服時的應力,該區間說明納米纖維素自愈合材料擁有良好的彈性性能。愈合前后兩者的壓縮應力數據結果出入不大,說明重新愈合后的材料形成緊密結構,能基本恢復到切割前的彈性效果。

圖6 納米纖維素自愈合材料的壓縮應力-應變曲線

2.6 自愈合材料的自愈合能力分析

圖7 納米纖維素自愈合材料的自愈合過程

試驗表明,明膠和醛基化后的納米纖維素兩者在非共價鍵的作用下,具有自發修復損傷和修復裂痕的能力,經過一定時間后便可恢復原狀態。由此可見,醛基可以通過席夫堿鍵與明膠中的胺基團反應來增強網絡,這種通過二者之間的分子作用力構筑而成的新型復合材料,可以大大提升材料的使用期限和使用安全性,且可以大幅度降低材料的維護成本。

3 總結與展望

以纖維素為基底,通過球磨法制備雙醛納米纖維素,并與明膠反應制備得到納米纖維素基水凝膠。通過TEM、XRD、FTIR、TG 及DTG 分析表征發現醛基納米纖維素的部分—OH 在反應過程中被消耗,從而可減少自身氫鍵的作用,同時也造成醛基納米纖維素結晶度下降,熱穩定性有所降低。通過對納米纖維素/明膠自愈合材料的應變和流變分析,可以看出明膠的加入使材料結構更規整,成型速度更快,自愈合性能增強。

目前,我國對自愈合材料的研究起步還不算晚,本研究的相關成果將對自愈合材料的研發起到促進作用,拓展其在醫療、農業、保健及食品等領域的應用。