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CN117535879A - 具有超弹性和高压电性的复合纤维膜及其制备方法 - Google Patents

具有超弹性和高压电性的复合纤维膜及其制备方法 Download PDF

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CN117535879A CN202210917412.6A CN202210917412A CN117535879A CN 117535879 A CN117535879 A CN 117535879A CN 202210917412 A CN202210917412 A CN 202210917412A CN 117535879 A CN117535879 A CN 117535879A
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冯章启
马娟
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Abstract

本发明公开了一种具有超弹性和高压电性的复合纤维膜及其制备方法。所述方法先将苯乙烯‑丁二烯‑苯乙烯嵌段共聚物充分溶解在1,2‑二氯乙烷中得到纺丝溶液，通过静电纺丝制备纤维膜，然后将纤维膜在苯丙氨酸二肽的乙腈溶液中进行浸渍提拉，干燥制得复合纤维膜。本发明制备工艺简单，制备出的复合纤维膜具有超强的拉伸性能和优异的压电性能，在可穿戴电子和健康监测方面具有良好的应用前景。

Description

具有超弹性和高压电性的复合纤维膜及其制备方法
技术领域
本发明属于静电纺丝材料技术领域，涉及一种具有超弹性和高压电性的复合纤维膜及其制备方法。
背景技术
静电纺丝技术是指聚合物溶液或熔体在高压静电场力作用下发生喷射拉伸，经溶剂挥发固化，得到纤维状材料的一种方法。静电纺丝相对于其他常规纺丝工艺最主要的特点是可得到比表面积大、孔隙率高、孔径小、长径比大的纤维，已在药物控释、创伤修复、生物组织工程等方面得到了很好的应用。因此近年来，静电纺丝技术受到人们的高度重视。
聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段热塑性弹性体(SBS)既具有聚苯乙烯(PS)的溶解性和热塑性，而且具有高强度、高弹性、高回弹性、优良的抗磨性和抗曲挠性等特性。
苯丙氨酸二肽作为一种天然生物材料，具有结构简单、易于化学修饰、良好的生物相容性、优异的压电特性等特点。而且自组装工艺为大规模生产压电肽纳米管提供了一种简单的方法，不需要高能量的合成条件。除了安全的合成方案，这种生物压电材料通常是高度均匀的，在未来的生物医学应用中可能是更兼容的替代品。与无机和合成材料相比，生物压电材料还没有被广泛应用于典型的压电应用。而各种无机压电材料，如锆钛酸铅、铌酸锂、氮化镓和钛酸钡，虽然表现出强大的压电性能，但它们的制造通常需要对环境有害的成分(例如重金属和有机溶剂)或能源密集的条件，如高温、高电场和极端压力。
现有报道的复合纤维中的压电材料大部分为无机和合成材料，且大部分应变范围非常小(<5％)，这严重限制了材料在可穿戴电子方面的应用范围，特别是对于人体表面关节等部位的大应变测量和运动监控是难以适用的。因此如何制备超弹性高压电性且环境友好的复合纤维膜，成为急需解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有超弹性和高压电性的复合纤维膜及其制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案如下：
具有超弹性和高压电性的复合纤维膜的制备方法，包括以下具体步骤：
步骤1，纤维膜的制备：
将SBS搅拌溶于1,2-二氯乙烷中，离心除去溶液中的气泡，形成纺丝溶液，然后对纺丝溶液进行静电纺丝，电压为5～10KV，接收距离为8～15cm，推进速度为0.8～2.5mL/h，得到纤维膜；
步骤2，制备苯丙氨酸二肽的乙腈溶液：
将苯丙氨酸二肽溶解于六氟异丙醇中，再加入乙腈，常温下放置1～24h，得到苯丙氨酸二肽的乙腈溶液；
步骤3，超弹性和高压电性的复合纤维膜的制备：
将纤维膜在苯丙氨酸二肽的乙腈溶液中进行浸渍提拉，在常温下进行干燥，得到复合纤维膜。
优选地，步骤1中，纺丝溶液中，SBS的质量分数为10％～80％。
优选地，步骤1中，静电纺丝的喷丝针头内径为0.22mm。
优选地，步骤2中，苯丙氨酸二肽的乙腈溶液中，苯丙氨酸二肽的浓度为0.1～3.0mg/mL。
优选地，步骤3中，每平方厘米纤维膜提拉苯丙氨酸二肽的乙腈溶液体积为0.1～3.0mL。
优选地，步骤3中，浸渍提拉参数为：下降速度为5～50μm/s，浸渍时间为100～1000s，提拉高度为5～20mm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用浸渍提拉的方法，成功制备了超弹性和高压电性以及环境友好的复合纤维膜，而且该材料具有良好的生物相容性，苯丙氨酸二肽不但赋予复合纤维膜优异的压电性能，同时经苯丙氨酸二肽的乙腈溶液浸渍提拉后的纤维膜的拉伸性能相对于纯的纤维膜也能够维持不变，浸渍提拉后的纤维膜的拉伸强度为未浸渍提拉的SBS纤维膜的拉伸强度的两倍。
(2)本发明采用静电纺丝和浸渍提拉技术，操作简单，成本低廉，制作工艺简单，可工业化生产。
附图说明
图1为本发明制备的SBS纤维膜以及复合纤维膜的扫描电镜图。
图2为本发明制备的复合纤维膜的拉伸性展示图。
图3为本发明制备的复合纤维膜以及SBS纤维膜的压电输出图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图进一步阐述本发明。
实施例1
(1)将2g的SBS溶于4.8mL1,2-二氯乙烷配制成纺丝液，纺丝材料占总体系的质量分数为25％，在35℃搅拌下3h至溶液澄清均一，然后在1000rpm下离心5分钟，除去溶液中的气泡。
(2)在电纺装置进行电纺，电纺参数：喷丝针头内径为0.22mm，在8KV的电压下，接收距离为10cm，以1.2mL/h的推进速度进行电纺，得到SBS纤维膜。
(3)将1mg的苯丙氨酸二肽溶解于20μL的六氟异丙醇中，之后加入9.980mL乙腈，制得0.1mg/mL的苯丙氨酸二肽的乙腈溶液，室温下放置6h。
(4)将纤维膜在苯丙氨酸二肽的乙腈溶液中进行浸渍提拉，浸渍提拉参数为：下降速度为17μm/s，浸渍时间为150s，提拉高度为7.5mm。每平方厘米纤维膜提拉溶液体积为1mL，然后将负载了苯丙氨酸二肽的乙腈溶液的纤维膜在常温下进行干燥。
实施例2
(1)将2g的SBS溶于4.8mL1,2-二氯乙烷配制成纺丝液，纺丝材料占总体系的质量分数为25％，在35℃搅拌下3h至溶液澄清均一，然后在1000rpm下离心5分钟，除去溶液中的气泡。
(2)在电纺装置进行电纺，电纺参数：喷丝针头内径为0.22mm，在8KV的电压下，接收距离为10cm，以1.2mL/h的推进速度进行电纺，得到SBS纤维膜。
(3)将3mg的苯丙氨酸二肽溶解于100μL的六氟异丙醇中，之后加入2.900mL乙腈，制得1mg/mL的苯丙氨酸二肽的乙腈溶液，室温下放置8h。
(4)将纤维膜在苯丙氨酸二肽的乙腈溶液中进行浸渍提拉，浸渍提拉参数为：下降速度为37μm/s，浸渍时间为360s，提拉高度为8.5mm。每平方厘米纤维膜提拉溶液体积为1.0mL，然后将负载了苯丙氨酸二肽的乙腈溶液的纤维膜在常温下进行干燥。
实施例3
(1)将2g的SBS溶于4.8mL1,2-二氯乙烷配制成纺丝液，纺丝材料占总体系的质量分数为25％，在35℃搅拌下3h至溶液澄清均一，然后在1000rpm下离心5分钟，除去溶液中的气泡。
(2)在电纺装置进行电纺，电纺参数：喷丝针头内径为0.22mm，在8KV的电压下，接收距离为10cm，以1.2mL/h的推进速度进行电纺，得到SBS纤维膜。
(3)将3mg的苯丙氨酸二肽溶解于100μL的六氟异丙醇中，之后加入1.900mL乙腈，制得1.5mg/mL的苯丙氨酸二肽的乙腈溶液，室温下放置3h。
(4)将纤维膜在苯丙氨酸二肽的乙腈溶液中进行浸渍提拉，浸渍提拉参数为：下降速度为35μm/s，浸渍时间为300s，提拉高度为6mm。每平方厘米纤维膜提拉溶液体积为1.0mL，然后将负载了苯丙氨酸二肽的乙腈溶液的纤维膜在常温下进行干燥。
实施例4
(1)将2g的SBS溶于4.8mL1,2-二氯乙烷配制成纺丝液，纺丝材料占总体系的质量分数为25％，在35℃搅拌下3h至溶液澄清均一，然后在1000rpm下离心5分钟，除去溶液中的气泡。
(2)在电纺装置进行电纺，电纺参数：喷丝针头内径为0.22mm，在8KV的电压下，接收距离为10cm，以1.2mL/h的推进速度进行电纺，得到SBS纤维膜。
(3)将3mg的苯丙氨酸二肽溶解于100μL的六氟异丙醇中，之后加入1.400mL乙腈，制得2mg/mL的苯丙氨酸二肽的乙腈溶液，室温下放置2h。
(4)将纤维膜在苯丙氨酸二肽的乙腈溶液中进行浸渍提拉，浸渍提拉参数为：下降速度为20μm/s，浸渍时间为200s，提拉高度为7mm。每平方厘米纤维膜提拉溶液体积为1.0mL，然后将负载了苯丙氨酸二肽的乙腈溶液的纤维膜在常温下进行干燥。
实施例5
(1)将2g的SBS溶于4.8mL1,2-二氯乙烷配制成纺丝液，纺丝材料占总体系的质量分数为25％，在35℃搅拌下3h至溶液澄清均一，然后在1000rpm下离心5分钟，除去溶液中的气泡。
(2)在电纺装置进行电纺，电纺参数：喷丝针头内径为0.22mm，在8KV的电压下，接收距离为10cm，以1.2mL/h的推进速度进行电纺，得到SBS纤维膜。
(3)将3mg的苯丙氨酸二肽溶解于100μL的六氟异丙醇中，之后加入0.980mL乙腈溶液，制得3mg/mL的苯丙氨酸二肽的乙腈溶液，室温下放置12h。
(4)将纤维膜在苯丙氨酸二肽的乙腈溶液中进行浸渍提拉，浸渍提拉参数为：下降速度为20μm/s，浸渍时间为200s，提拉高度为7mm。每平方厘米纤维膜提拉溶液体积为1.0mL，然后将负载了苯丙氨酸二肽的乙腈溶液的纤维膜在常温下进行干燥。
对比例1
(1)将2g的SBS溶于4.8mL1,2-二氯乙烷配制成纺丝液，纺丝材料占总体系的质量分数为25％，在35℃搅拌下3h至溶液澄清均一，然后在1000rpm下离心5分钟，除去溶液中的气泡。
(2)在电纺装置进行电纺，电纺参数：喷丝针头内径为0.22mm，在8KV的电压下，接收距离为10cm，以1.2mL/h的推进速度进行电纺，得到SBS纤维膜。
图1左图为SBS纤维膜的扫描电镜图，右图为浸渍提拉苯丙氨酸二肽的乙腈溶液的复合纤维膜的扫描电镜图。从图中可以看出纤维膜在苯丙氨酸二肽的乙腈溶液中浸渍提拉后仍然保持原有的纤维状态，层层纤维之间相互缠结且较为均匀，而且苯丙氨酸二肽晶体均匀的负载在纤维上。图2为拉伸前后的复合纤维膜，从图中可以看出，复合纤维膜的拉伸性仍然保持，拉伸应变为未拉伸纤维膜的10倍左右，表明复合纤维膜具有超弹性。图3为复合纤维膜以及电纺纤维膜的压电输出图，其中A为实施例1，B为实施例2，C为实施例3，D为实施例4，E为实施例5，F为对比例1。从图3中可以看出，在优化条件下，将纤维膜在苯丙氨酸二肽的乙腈溶液中浸渍提拉后压电输出增加，但苯丙氨酸二肽的乙腈溶液过高时，复合纤维膜的压电输出下降，是由于电子湮灭压电输出会降低。
表1不同实施例制备出的复合纤维膜的拉伸性能和压电性测试结果
从表1中可知，SBS纤维膜在苯丙氨酸二肽的乙腈溶液中浸渍提拉后，其拉伸性仍然保持，拉伸应变为未拉伸纤维膜的10倍左右；拉伸强度为4.5MPa左右，相比于纯的纤维膜提高2倍，这是由于纤维上负载了刚性的苯丙氨酸二肽晶体；相对于纯的纤维膜相比，浸渍提拉苯丙氨酸二肽的乙腈溶液之后的复合纤维膜压电输出显著增加，但苯丙氨酸二肽的乙腈溶液浓度过高时压电输出下降，是由于电子湮灭压电输出会降低。

Claims (7)

1.具有超弹性和高压电性的复合纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤1，纤维膜的制备：
将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物搅拌溶于1,2-二氯乙烷中，离心除去溶液中的气泡，形成纺丝溶液，然后对纺丝溶液进行静电纺丝，电压为5～10KV，接收距离为8～15cm，推进速度为0.8～2.5mL/h，得到纤维膜；
步骤2，制备苯丙氨酸二肽的乙腈溶液：
将苯丙氨酸二肽溶解于六氟异丙醇中，再加入乙腈，常温下放置1～24h，得到苯丙氨酸二肽的乙腈溶液；
步骤3，超弹性和高压电性的复合纤维膜的制备：
将纤维膜在苯丙氨酸二肽的乙腈溶液中进行浸渍提拉，在常温下进行干燥，得到复合纤维膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，纺丝溶液中，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物的质量分数为10％～80％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，静电纺丝的喷丝针头内径为0.22mm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，苯丙氨酸二肽的乙腈溶液中，苯丙氨酸二肽的浓度为0.1～3.0mg/mL。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，每平方厘米纤维膜提拉苯丙氨酸二肽的乙腈溶液体积为0.1～3.0mL。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，浸渍提拉参数为：下降速度为5～50μm/s，浸渍时间为100～1000s，提拉高度为5～20mm。
7.根据权利要求1至6任一所述的制备方法制得的复合纤维膜。
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