论文总字数：16196字

摘 要

香烟中的尼古丁(烟碱)进入大脑会使人上瘾。虽然香烟尾部的过滤结构可以截留下一定量有害的成分，但传统的二醋酸纤维(CDA)滤嘴对物质的截留效率不太高。因此对香烟滤嘴的改进一直是烟草行业尚未解决的问题。

本课题以二醋酸纤维、聚丙烯晴(PAN)为原材料，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，通过静电纺丝技术制备纳米纤维膜。将其用于香烟滤嘴的改进，从而提高对烟碱的过滤效果。并在上述研究的基础上，与壳聚糖、PLA制备同轴四组分纳米纤维复合膜。对制得的纳米纤维膜各项性能进行测试研究，特别是对烟碱的截留率。

关键词：二醋酸纤维 聚丙烯腈 复合纳米纤维膜 烟碱 同轴纺丝

Preparation of CDA composite nanofiber membrane and its application in adsorption of nicotine

Abstract

The brain can be addicted when it has absorbed the nicotine from cigarettes. Although the cigarette filter can intercept a certain amount of harmful components, the interception efficiency of traditional cellulose acetate (CDA) filter is not very high.Therefore,it has still been an unresolved issue in the tobacco industry for improvement of cigarette filters.

In this topic, nanofiber membranes were prepared by electrospinning using diacetate, polypropylene (PAN) as raw material and N,N-dimethylformamide (DMF) as solvent. It is used for the improvement of cigarette filters to improve the filtration effect on nicotine. Prepared a four components nanofiber composite film with chitosan and PLA by coaxial electrospinning based on the above research.The properties of the obtained nanofiber membranes were tested, especially for the interception efficiency of nicotine.

Keywords: cellulose acetate; polyacrylonitrile; composite nanofiber membrane; nicotine;

coaxial electrospinning

目录

摘要 I

Abstract II

目录 I

第一章 文献综述 1

1.1 静电纺丝 1

1.2 静电纺丝设备的组成和分类 4

1.3 本文思路 5

1.3.1 CDA聚合物纺丝液的制备和纺丝 5

1.3.2 CS聚合物纺丝液的制备和纺丝 5

1.3.3 CDA复合聚合物纺丝液同轴纺丝 6

1.3.4 纤维膜的表征及对烟碱的吸附性能研究 6

第二章 实验部分 7

2.1药品和仪器 7

2.2 实验方案 8

2.2.1 单喷头纺CDA-PAN纤维 8

2.2.2 单喷头纺CS-PLA纤维 9

2.2.3 同轴纺CDA四组分复合纤维 9

2.2.4 实验的注意事项 10

第三章 实验结果 11

3.1纤维膜的表征 11

3.1.1 断裂强力测定 11

3.1.2 扫描电镜分析 12

3.1.3 热重分析 14

3.1.4 烟碱截留效率测定 14

第四章 结论与展望 16

4.1 结论 16

4.2 展望 16

参考文献 17

致谢 19

第一章 文献综述

1.1 静电纺丝

我们在自然环境中最充裕、最常见的一种天然高分子的是纤维素，有植物的地方一般就有纤维素，是我们可以源源不断从植物当中提取到的可再生资源。化学家们大概160多年前开始在高分子物理化学领域研究纤维素，纤维素和它的衍生物的研究成果对于现如今蓬勃发展的高分子物理化学可以说是功不可没。传统的纤维合成方法是将聚合物溶液或者熔体经过一系列前处理流程拉伸延长成丝，接着对所得到的丝状纤维进行后处理流程来改进丝的拉伸断裂强度、手感、颜色等表征，然而用这些方法制备出来的纤维直径都相对来说比较粗，一般都在10微米以上。静电纺丝与传统的纺丝工艺大不一样，通过静电纺丝可以得到亚微米甚至纳米级别的超细纤维，这类纤维的常见直径尺寸范围在3 nm~5 μm。

1902年，美国人John Cooley就已经发明了静电纺丝技术，不过那时候的这项技术只是让聚合物溶液通过静电作用喷出细丝状流体固化得到纤维而已，直径上这些细丝还没有达到纳米级别纤维的标准。一直到了1934年，同样是由美国人Formhals设计发明出了一个高压静电场力制备聚合物纤维的实验装置，他的设计中大致描述了聚合物溶液是如何在高压静电的作用下克服溶液自身的表面张力后，脱离静电纺丝喷头在电极之间形成喷丝，落在接收装置上固化并且累积成为纤维膜，被大家认为是运用静电纺丝技术来制备纳米级别纤维的开端^[1]。

在静电纺丝的过程中，喷射装置中的聚合物溶液或熔融液已经全是被导电的。在静电场力这个外力的作用下，原本因为受到表面张力作用而使得挂持在喷头位置的聚合物液滴， 不断在电场诱导下于液滴的表面聚集电荷(这时候靠近设备便可以听到注射器中有滋滋滋的明显电流声)，从而产生一个与表面张力方向相反的静电场力。随着静电场不断增强，达到临界电压时，喷头位置的液滴从原来的球状被拉长为圆锥状，也就是所谓的泰勒锥(全称Taylorcone，以下简称T锥)，T锥头部拉伸延长到一定的程度后就会分离^[1]。肖婉红制备PEO/纤维毡并对影响静电纺丝的工艺参数的研究结果表明: 聚合物溶液中溶质的含量毫无疑问是影响T锥产生的一个非常重要的因素^[2]。肖婉红的说法是当聚合物溶液中溶质的含量比较小时，溶液黏度也会比较小，含量在一定范围内增加时其黏弹性也随之增大，分子链之间的相互缠绕得更加密集，变得不那么容易断裂使得喷头位置的液滴更加容易形成T锥；如果溶质的含量超过了一定的浓度后，聚合物溶液的流变性就开始变差，由是变得很难形成T锥。也就是静电纺丝要想成膜的难度大，甚至根本就不能纺出丝。比如在PEO/纤维毡聚合物溶液中溶质含量只有为1%时，静电纺丝的过程中喷头位置简直不能看见有T锥出现，非常的不显著。而在聚合物溶液中溶质含量提高到2%后，静电纺丝过程喷头位置会有更明显T锥出现。那么就可以知道要想形成T锥，聚合物溶液中溶质的含量就不能太低，也不能太高。而聚合物溶液在纺丝喷头的流量或者称流速也是一个重要因素，而流量也跟溶质的含量息息相关。在聚合物溶液中含量本来可以形成T锥的情况下，如果降低喷头出液速率，T锥同样变得不那么明显；如果加快喷头出液的速率，出来的液滴体积积累过大了，就会不可控的分散成几个T锥，向着容易挣脱表面张力的方向飞去。

通过静电纺丝纺出来的纤维表面结构连续且比较均匀，常比表面积都比较大，其表面效应比如表面吸附能力也就会比较强，细长的纤维之间在喷头和滚筒的带动下形成相互搭建或纠缠的三维网络多孔结构，从而提升了纤维材料上的孔隙率。种种这一些优良特性使得静电纺丝技术成为制造功能型材料，如功能型纳米复合材料、组织工程支架、防护服、过滤器、磁响应纤维等的首选方式^[3-4]。而静电纺丝最大的优点就是操作十分方便、成本低廉和可以进行大批量生产，而且生产出来的纤维以非织造布类型具有不需要净化处理的优势^[5-6]。

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