CN118814358A

CN118814358A - 一种自粘合纤维膜及其制备方法和应用

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Publication number: CN118814358A
Application number: CN202410831393.4A
Authority: CN
Inventors: 赵奕; 马佳佳; 张佳文; 孟璟; 柯勤飞; 胡文锋
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2024-06-26
Filing date: 2024-06-26
Publication date: 2024-10-22

Abstract

本发明提供了一种自粘合纤维膜及其制备方法和应用，涉及纤维膜制备技术领域。本发明提供的自粘合纤维膜的制备方法，包括以下步骤：将纤维源、聚氧化乙烯、乙醇水溶液和丁香酚精油混合，得到纺丝液；将所述纺丝液进行静电纺丝，得到所述自粘合纤维膜；所述丁香酚精油的体积为纤维源、聚氧化乙烯和乙醇水溶液的总体积的2～12％。本发明在纤维膜制备过程中添加丁香酚精油，降低了溶剂挥发性，使纤维在静电纺丝过程中保持粘流态，形成纤维自粘合，避免后处理过程和化学交联剂使用，且自粘合的纤维膜能紧密粘附到基底表面，适用于亲/疏水聚丙烯无纺布、棉纤维素织物、丝蛋白织物和聚酯合成织物等基底表面；同时可以提高纤维膜的拉伸强度。

Description

一种自粘合纤维膜及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于纤维膜制备技术领域，具体涉及一种自粘合纤维膜及其制备方法和应用。

背景技术

目前提高静电纺丝玉米蛋白膜机械性能的主流策略是将成型的玉米蛋白膜进行化学交联或者与特定的纤维素基底进行粘附。其中，特定的纤维素基底通常是纤维素类纸巾，不仅适用范围小，而且纤维与纤维素基底的粘附依靠的是氢键作用，接触面较小，易导致分层，存在界面粘附效果差的缺陷；而化学交联是利用成型后的玉米蛋白膜与交联剂(如戊二醛、柠檬酸和甲醛)进行化学交联，其化学交联反应效率低且反应条件苛刻，并且存在玉米蛋白膜拉伸强度改善程度不高的缺陷，且大多数交联剂价格昂贵、不环保，交联过程的复杂工艺严重阻碍了规模化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自粘合纤维膜及其制备方法和应用，本发明制备的自粘合纤维膜是具有粘流态的自粘合纤维膜，可粘附多种基底，并且该自粘合纤维膜具有较高的拉伸强度。

为了实现本发明的目的，本发明提供了以下技术方案：

一种自粘合纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

将纤维源、聚氧化乙烯、乙醇水溶液和丁香酚精油混合，得到纺丝液；

将所述纺丝液进行静电纺丝，得到所述自粘合纤维膜；

所述丁香酚精油的体积为纤维源、聚氧化乙烯和乙醇水溶液的总体积的2～12％。

优选地，所述纤维源包括玉米蛋白粉末和/或聚乙烯吡咯烷酮。

优选地，所述乙醇水溶液的体积分数为76～91％。

优选地，所述纤维源、聚氧化乙烯和乙醇水溶液的质量比为5～25:0.5～2:76～91。

优选地，所述混合在搅拌条件下进行；所述搅拌的速率为500～800rpm，时间为1～3h。

优选地，所述静电纺丝的条件包括：针头正电压为10～20kV，接收负电压为-2～0kV，接收距离为10～25cm，流速为0.5～2mL/h，纺丝时间为1～3h。

优选地，所述静电纺丝的基底为无纺布、锡纸或织物。

优选地，所述静电纺丝后还包括干燥；所述干燥的温度为室温，时间为2～3h。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的自粘合纤维膜。

本发明还提供了上述技术方案所述自粘合纤维膜在空气过滤、生物医学领域或废水处理中的应用。

本发明提供了一种自粘合纤维膜的制备方法，包括以下步骤：将纤维源、聚氧化乙烯、乙醇水溶液和丁香酚精油混合，得到纺丝液；将所述纺丝液进行静电纺丝，得到所述自粘合纤维膜；所述丁香酚精油的体积为纤维源、聚氧化乙烯和乙醇水溶液的总体积的2～12％。本发明在纤维膜制备过程中添加丁香酚精油，降低了乙醇水溶液的挥发性，使纤维在静电纺丝过程中保持粘流态，从而形成纤维自粘合，避免了后处理过程和化学交联剂的使用。并且自粘合纤维膜能紧密粘附到基底表面，并广泛适用于多种基底(如亲水/疏水聚丙烯无纺布、锡纸、棉纤维素织物、丝蛋白织物和聚酯合成织物等)表面；同时提高了纤维膜的拉伸强度。此外，本发明所述制备方法由于只需要在纺丝液中添加丁香酚精油即可，简单环保、生产效率高、成本低，可规模化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为添加不同体积比例丁香酚精油制备的玉米蛋白纤维膜的形貌图；

图2为添加12v/v％和未添加丁香酚精油的玉米蛋白纤维膜的粘合情况图；

图3为添加12v/v％丁香酚精油的玉米蛋白纤维膜黏附在不同基材上的电镜图；

图4为添加12v/v％和未添加丁香酚精油的玉米蛋白纤维膜应力曲线图；

图5为不同静电纺丝时间制备的玉米蛋白纤维膜的实物图和电镜图；

图6为不同体积比例丁香酚精油制备的PVP纤维膜的形貌图。

具体实施方式

本发明提供了一种自粘合纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

将所述纺丝液进行静电纺丝，得到所述自粘合纤维膜；

所述丁香酚精油的体积为纤维源、聚氧化乙烯和乙醇水溶液的总体积的4～20％。

在本发明中，若无特殊说明，所有制备原料均优选为本领域技术人员熟知的市售产品。

本发明将纤维源、聚氧化乙烯、乙醇水溶液和丁香酚精油混合，得到纺丝液。在本发明中，所述纤维源优选包括玉米蛋白粉末和/或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，更优选为玉米蛋白粉末；所述玉米蛋白粉末优选为玉米醇溶蛋白粉末。

在本发明中，所述聚氧化乙烯(PEO)的数均分子量优选为100000～600000。本发明中PEO加入主要是为了减少整体纤维源的用量，由于PEO分子量很大，添加少量PEO就可以极大减少纤维源的用量。

在本发明中，所述乙醇水溶液的体积分数优选为76～91％，更优选为80～85％。

在本发明中，所述纤维源、聚氧化乙烯和乙醇水溶液的质量比优选为5～25:0.5～2:76～91，更优选为10～15:1～1.5:81～85。

在本发明中，所述丁香酚精油的体积为纤维源、聚氧化乙烯和乙醇水溶液的总体积的2～12％；当所述纤维源优选为玉米蛋白粉末时，所述丁香酚精油的体积优选为纤维源、聚氧化乙烯和乙醇水溶液的总体积的10～12％；当所述纤维源优选为聚乙烯吡咯烷酮时，所述丁香酚精油的体积优选为纤维源、聚氧化乙烯和乙醇水溶液的总体积的2～4％。

在本发明中，所述混合优选包括：将纤维源、聚氧化乙烯和乙醇水溶液进行第一混合，得到混合液；将所述混合液和丁香酚精油进行第二混合，得到纺丝液；所述第一混合和第二混合独立优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的速率优选为500～800rpm，更优选为600～700rpm；所述第一混合的时间优选为1～3h；所述第二混合的时间优选为1～3h。

得到纺丝液后，本发明将所述纺丝液进行静电纺丝，得到所述自粘合纤维膜。在本发明中，所述静电纺丝的条件包括：针头正电压优选为10～20kV，更优选为15～18kV；接收负电压为-2～0kV，更优选为-1～-1.5kV；接收距离优选为10～25cm，更优选为15～20cm；流速优选为0.5～2mL/h，更优选为1～1.5mL/h；纺丝时间优选为1～3h，更优选为1.5～2h；所述静电纺丝的基底优选为无纺布、锡纸或织物；所述无纺布优选为聚丙烯(PP)无纺布，更优选为亲水聚丙烯无纺布或疏水聚丙烯无纺布；所述织物优选包括纤维织物和/或合成织物；所述纤维植物优选为棉纤维素织物或丝蛋白织物；所述合成织物优选为聚酯合成织物。

在本发明中，所述静电纺丝后还优选进行干燥；所述干燥优选为自然放置干燥；所述干燥的时间优选为2～3h。

在本发明中，将所述自粘合纤维膜应用于所述空气过滤，优选为应用所述自粘合纤维膜对空气中的颗粒物进行过滤；将所述自粘合纤维膜应用于所述生物医学领域，优选为应用所述自粘合纤维膜进行细胞培养；将所述自粘合纤维膜应用于所述废水处理领域，优选为应用所述自粘合纤维膜对废水中污染物如染料进行吸附。

为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的自粘合纤维膜及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1～3与对比例1～3

将玉米蛋白粉末和PEO粉末溶解在乙醇水溶液(乙醇和水的体积比为4:1)中，在700rpm条件下搅拌2h至完全溶解，得到混合液，混合液中玉米蛋白粉末的质量分数为10％，PEO粉末的质量分数为1％；分别加入占混合液体积0％(对比例1)、4％(实施例1)、8％(实施例2)、12％(实施例3)、16％(对比例2)和20％(对比例3)的丁香酚精油，在700rpm条件下搅拌1h，得到纺丝液；采用注射泵在PP无纺布表面进行静电纺丝，条件为：针头正电压为10kV，接收负电压为-2kV，接收距离为15cm，流速为1mL/h，纺丝时间为1h，纺丝结束后自然放置干燥2h，得到玉米蛋白纤维膜。

图1为不同体积比例丁香酚精油制备的玉米蛋白纤维膜的形貌图，图1中标尺为2μm，由图1可知，在不添加精油的情况下，玉米蛋白纤维之间相互独立，根根堆叠；随着丁香酚精油添加比例增加到4v/v％和8v/v％时，纤维之间出现互相粘合的现象，但与基材之间不贴合，以此推测纤维之间的粘合是在未被基材接收的纺丝过程中形成的，纤维到达基材时已经成为固态不会与基材产生黏连；当丁香酚精油比例达到12v/v％时，纤维之间互相粘合，并且纤维紧紧粘附在基材上，这是由于纺丝溶液中丁香酚精油含量高，纤维到达基材时仍保持粘流态，能够自粘合基材形貌形成无缝粘合，达到紧密粘附的效果；当丁香酚精油比例继续升高时(16v/v％和20v/v％)，精油含量过高，纤维在基材表面保持粘流态时间过长，纤维与纤维之间相互融合，在基材表面形成一层黏合膜，纤维形态消失。

图2为添加12v/v％和未添加丁香酚精油的玉米蛋白纤维膜的粘合情况图，图2中(a)为添加12v/v％丁香酚精油的玉米蛋白膜的平面图和平面电镜图；(b)为添加12v/v％丁香酚精油的玉米蛋白膜的横截面图和横截面电镜图；图2中(c)为未添加丁香酚精油的玉米蛋白膜的平面图和平面电镜图；图2中(d)为未添加丁香酚精油的玉米蛋白膜的平面图和平面电镜图；由图2可知，本发明添加12v/v％丁香酚精油的玉米蛋白膜能够与基底形成紧密粘附，避免了纤维膜与基底分层现象的发生。

图3为添加12v/v％丁香酚精油的玉米蛋白纤维膜黏附在不同基材上的电镜图，图3中(a)为黏附在纤维素织物上的电镜图，(b)为黏附在聚酯织物上的电镜图，(c)为黏附在丝织物上的电镜图，由图3可知，添加12v/v％丁香酚精油的玉米蛋白自粘合纤维膜紧紧贴附在不同基材的表面。

图4为添加12v/v％和未添加丁香酚精油的玉米蛋白纤维膜应力曲线图，由图4可知，添加12v/v％的丁香酚精油的玉米蛋白自粘合纤维膜的拉伸强度为3.9442MPa，相比未添加丁香酚精油的玉米蛋白膜的拉伸强度仅为0.9059MPa，拉伸强度提高了4.4倍，具有优异的机械性能。

实施例4～6

将玉米蛋白粉末和PEO粉末溶解在乙醇水溶液(乙醇和水的体积比为4:1)中，在700rpm条件下搅拌2h至完全溶解，得到混合液，混合液中玉米蛋白粉末的质量分数为10％，PEO粉末的质量分数为1％；加入占混合液体积12％的丁香酚精油，在700rpm条件下搅拌1h，得到纺丝液；采用注射泵在PP无纺布表面进行静电纺丝，条件为：针头正电压为10kV，接收负电压为-2kV，接收距离为15cm，流速为1mL/h，纺丝时间分别为1h(实施例4)、2h(实施例5)和3h(实施例6)，纺丝结束后自然放置干燥2h，得到玉米蛋白纤维膜。

图5为不同静电纺丝时间制备的玉米蛋白纤维膜的实物图和电镜图，图5中纺丝时间为1h对应的图从左至右依次是玉米蛋白纤维膜的平面图、截面界面图、截面电镜图和截面电镜放大图；纺丝时间为2h对应的图从左至右依次是玉米蛋白纤维膜的平面图、截面界面图、截面电镜图和截面电镜放大图；纺丝时间为3h对应的图从左至右依次是玉米蛋白纤维膜的平面图、截面界面图、截面电镜图和截面电镜放大图；图5中标尺为20μm。

由图5可知，从截面界面图来看，纺丝时间为1h和2h的玉米蛋白纤维膜与非织造材料基材都是紧密粘附的，不会产生分层现象。从截面电镜图来看，纺丝时间为1h的玉米蛋白纤维膜与基材之间是相互黏连的，纺丝时间为2h的纤维膜与基材是紧密贴合的，但是纺丝纤维相互融合成膜，原本的纤维形态消失。再继续增加纺丝时间为3h时，从截面界面图可以看到玉米蛋白膜与非织造材料基材之间产生了分层，电镜图也证实了这一点，推测这是由于纺丝纤维之间的粘合太强，纤维膜的刚性增加，从而与基材贴附不紧密，导致纤维膜从基材上脱落下来。

实施例7～8与对比例4

将PVP粉末溶解在乙醇水溶液(乙醇和水的体积比为4:1)中，在700rpm条件下搅拌2h至完全溶解，得到混合液，混合液中PVP粉末的质量分数为10％，分别加入占混合液体积0％(对比例4)、4％(实施例7)和8％(实施例8)的丁香酚精油，在700rpm条件下搅拌1h，得到纺丝液；采用注射泵在锡纸表面进行静电纺丝，条件为：针头正电压为10kV，接收负电压为-2kV，接收距离为15cm，流速为1mL/h，纺丝时间为1h，纺丝结束后自然放置干燥2h，得到PVP纤维膜。

图6为不同体积比例丁香酚精油制备的PVP纤维膜的形貌图，图6中(a)、(b)、(c)分别为添加0v/v％、4v/v％、8v/v％丁香酚精油制备的PVP纤维膜的形貌图，由图6可知，不添加丁香酚精油的PVP纤维之间相互独立，不存在自粘合；添加了4v/v％的丁香酚精油后，纤维之间形成自粘合，并且能够与基材紧密粘附；继续添加8v/v％的丁香酚精油后，纺丝成膜状，无纤维形貌。这表明能够溶解精油的乙醇/水溶剂体系的纺丝液都可以实现纤维自粘合，形成良好机械性能的膜。

对比例5

将玉米醇溶蛋白粉末溶解在乙酸水溶液中(乙酸和水的重量比为80:20)并搅拌1h，然后制成固含量为10wt％的玉米醇溶蛋白溶液，将PVA溶解在去离子水中并搅拌1h，制成浓度为10wt％PVA溶液，并在95℃下搅拌1h获得均匀的PVA溶液；然后按照体积比为60:40将上述玉米醇溶蛋白溶液和PVA溶液混合，得到纺丝液；将纺丝液装入注射器，施加14kV电压用于静电纺丝，将纸巾基材固定在接地的商用铜网上，将纳米纤维收集到纸巾基材上，针头和样品收集器之间的距离固定为12cm，平均流速为0.8mL·h^-1，纺丝结束后得到玉米醇溶蛋白基纳米纤维，然后在60℃下干燥3h，蒸汽交联12h，其中以戊二醛溶液中有三氟乙酸作为催化剂，且戊二醛的浓度为可变参数，在60℃的真空烘箱中干燥12h去除游离水和过量的戊二醛分子，得到改性玉米醇溶蛋白基纳米纤维。

经测试，对比例5改性玉米醇溶蛋白基纳米纤维的拉伸强度为3.1MPa，证明本发明制备的自粘合纤维膜能够进一步提高自粘合纤维膜的拉伸强度。

尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims

1.一种自粘合纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述纺丝液进行静电纺丝，得到所述自粘合纤维膜；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纤维源包括玉米蛋白粉末和/或聚乙烯吡咯烷酮。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述乙醇水溶液的体积分数为76～91％。

4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述纤维源、聚氧化乙烯和乙醇水溶液的质量比为5～25:0.5～2:76～91。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合在搅拌条件下进行；所述搅拌的速率为500～800rpm，时间为1～3h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝的条件包括：针头正电压为10～20kV，接收负电压为-2～0kV，接收距离为10～25cm，流速为0.5～2mL/h，纺丝时间为1～3h。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝的基底为无纺布、锡纸或织物。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝后还包括干燥；所述干燥的温度为室温，时间为2～3h。

9.权利要求1～8任一项所述制备方法制备的自粘合纤维膜。

10.权利要求9所述自粘合纤维膜在空气过滤、生物医学领域或废水处理中的应用。