高分子纤维范文

高分子纤维范文（精选8篇）

高分子纤维 第1篇

1 实验部分

1.1 原料

微生物纤维素粉末:聚合度 (DP) 为5948.9, 南京理工大学提供;无水氯化锂 (LiCl) , 天津市福晨化学试剂厂;N, N-二甲基乙酰胺 (DMAC, 分析纯) , 北京现代东方精细化学品有限公司。

1.2 纺丝设备 (自制)

喷丝计量装置:经过真空脱泡的纺丝液要依次通过计量泵, 喷丝头, 喷丝板, 喷丝孔后进入第一凝固浴。结合本次实验, 控制台设定为5.6, 则计量泵实际转速为2.86r/min, 计算得计量泵流量为0.81mL/r, 喷丝板孔径 (d) 为0.08mm, 孔数300。见图1, 整个喷丝头边缘通有循环水, 以确保纺丝液能顺利挤出, 较大的长径比设计, 能有效减少出口Barus效应。

凝固浴装置:如图2所示, 纺丝液经主动辊牵引, 依次通过第一、二和三凝固浴。纺丝时通过调节4号辊和5号辊转速来控制负牵伸的数值。

1.3 微生物纤维素的溶解及纺丝

将一定量的LiCl固体加入到DMAC溶液中于100℃搅拌, 充分混合得到10%的LiCl/DMAC溶液, 然后将微生物纤维素粉末加入到溶解完全的10%的LiCl/DMAC溶液, 温度调至120℃, 搅拌5h后关闭温度加热按钮, 继续在常温下搅拌12h, 直至微生物纤维素溶解, 制得固含量为2.5%的微生物纤维素纺丝液。

将溶解完全的纺丝液加入到实验室自制的纺丝装置中, 在0.2MPa的恒定N2压力下, 将纺丝液压入喷丝计量装置中, 进入多级凝固浴凝固, 进行湿法纺丝。

1.4 微生物纤维素纤维的结构与性能表征

直径测试:利用用倒置生物显微镜 (型号XDS-1B) 从300根纤维中取30根测定微生物纤维素纤维的直径, 取平均值。

机械性能测试:所需要参考的性能参数包括单丝强度, 断裂伸长率等, 仪器为YG004E电子单纤维强力机, 严格按照国标 (GB/T 14337-2008) 进行分析测试, 进行多组测样取平均值的做法减小实验误差, 测试条件为, 温度25℃, 湿度65%, 纤维夹具为25mm, 拉伸速度设定为20mm/min。

X射线衍射 (XRD) :所用到的设备为日本理学的D/maxUltimaIII X射线粉末衍射仪, 通过分峰软件对图谱进行处理, 选择的测试条件:测试电流40mA, 测试电压40KV, CuKa (λ=1.54) , 设定扫描速度为4°/min, 扫描角度设置为0.02°。结晶度的换算利用峰面积法[9]求得, 即C= (Sc/St) 100%, 式中参数比较简单, 只有两个量, 前面一个代表衍射峰面积, 后面则表示总衍射面积。同样我们需要求得结晶尺寸大小, 根据谢乐公式有L[h, k, l]=Kλ/βcosθ[9], 其中λ代表X射线波长, β表示2θ=20° (101) 晶面衍射峰的半高宽, K为谢乐常数。

扫描电镜 (SEM) :通过对再生微生物纤维素纤维表面进行扫描, 比较直观的了解纤维的表观形貌, 将丝条平整拉直均匀粘贴在样品台上, 经过喷金处理后, 使用日本FE-S4700扫描电子显微镜在25kV电压下观察表面。

2 结果与讨论

2.1 负牵伸对微生物纤维素纤维结构和性能的影响

纺丝液经过喷丝头挤出后, 进入到第一凝固浴中, 因为高分子溶液的粘弹性, 纺丝液在刚接触到液体时, 要恢复到之前的无序状态, 所以会产生一定程度的回缩, 这就称为挤出物的胀大效应。挤出物的胀大效应和纺丝液的粘度有关, 粘度越大, 初生纤维回缩的也越多。由于挤出物胀大效应的存在, 初生纤维在喷丝头喷出的速度要小于它的理论速度, 在第一凝固浴中要施加一定的负牵伸以防止牵伸对初生纤维造成表皮破裂等缺陷。

可以通过调节4号辊和5号辊的转速来控制负牵伸的数值, 本次试验采用-30%、-50%、-65%、-80%4个负牵伸数值来考察负牵伸对微生物纤维素纤维结构和性能的影响, 从而选出一个最佳负牵伸数值。

2.1.1 负牵伸对微生物纤维素纤维机械性能的影响

表1反应了随着负牵的增大, 纤维的直径是减小的、断裂强度先增加后减小、断裂伸长率先减小后增加, 在负牵为50%时, 断裂强度最大为0.3567个GPa, 此时的断裂伸长率最小为8.8%, 直径为9.5nm。

2.1.2 负牵伸对微生物纤维素纤维形貌的影响

图3可以看出, 负牵伸在80%和65%的时候, 纤维表面表现出鱼鳞状的缺陷, 这是由于负牵伸太多, 初生纤维回缩产生的表面缺陷。负牵伸在50%时, 表面已经比较光滑、缺陷较少、直径分布均匀, 增加负牵伸到30%的时候, 纤维表皮已有破裂, 并且直径分布明显不均匀, 这是由于过度牵伸造成的。

2.1.3 负牵伸对微生物纤维素纤维结晶结构的影响

对不同负牵伸的微生物纤维素纤维做XRD的测试, 如图4所示, 随着负牵伸的增加, 纤维的结晶度是增加的, 在30%的负牵下结晶度达到最大值为43.23% (表2所示) , 晶粒尺寸是减小的。这可能是因为随着负牵的增加, 初生纤维内的大分子链段排列的更加规整和有序。

综合考虑纤维的机械性能、XRD的测试以及对纤维形貌的观察, 选择最佳的负牵伸数值为50%。

2.2 二、三凝固浴牵伸对微生物纤维素纤维结构和性能的影响

2.2.1 二、三凝固浴牵伸对微生物纤维素机械性能的影响

由表3中的数据可以看出, 随着二、三凝固浴中总牵伸倍数的增加, 纤维的直径持续的减小, 纤维的断裂强度先增加后减小, 断裂伸长率先减小后增加, 这可能是因为牵伸倍数过大, 破坏了纤维分子链段的连续性。在牵伸倍数为1.16倍时, 纤维的断裂强度达到1.0576个GPa, 这比其它的天然纤维素纤维的强度大很多, 接近于软木牛皮纸纤维的强度[10]。

2.2.2 二、三凝固浴牵伸对微生物纤维素形貌的影响

如图5所示, 不施加牵伸的纤维的表面有大小不等的空洞等结构上的缺陷, 随着牵伸倍数的增加, 纤维表面趋向于光滑, 沟槽减小, 牵伸倍数在1.16倍时, 纤维表面无明显的空洞和沟槽, 已经和平滑。牵伸到1.25倍时, 纤维表面有裂纹, 这可能是由于过度牵伸所引起的纤维的表皮破裂, 这也是与纤维的力学性能相对应的, 过度牵伸所引起的还有纤维断裂强度的下降。

2.2.3 二、三凝固浴牵伸对微生物纤维素结晶结构的影响

图6所表现的是随着牵伸倍数的增加, 纤维的结晶度是增加的, 在牵伸倍数为1.25倍时, 由表4所示, 结晶度达到61.45%, 这是一种高度取向的再生纤维。

综合考虑牵伸倍数给初生纤维带来的影响, 以及纤维的机械性能和表观形貌好结晶度测试, 最佳的牵伸倍数为1.16倍。

3 结论

(1) 一凝的负牵伸为50%时, 所得的微生物纤维素纤维表面光滑, 力学性能高。

(2) 随着二、三凝固浴的总牵伸倍数的增加, 纤维的断裂强度先增加后减小, 纤维的表观形貌趋近与平滑, 结晶度也越来越大, 在牵伸倍数为1.16倍时, 纤维的断裂强度达到最大, 为1.0576个GPa。

参考文献

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高分子纤维 第2篇

【关键词】 高分辨CT；特发性肺间质纤维化；诊断价值

【中图分类号】R722.12 【文献标识码】B【文章编号】1004-4949（2014）08-0057-01

特发性肺间质纤维化（IPF）是一种病因不明的下呼吸道弥漫性炎症性疾病，临床并不常见，且诊断困难，患病率较低，临床治疗效果不佳，故早期诊断对于疾病预后有重要意义[1]。普通CT在扫描过程中由于扫描层较厚不易发现细微病灶，特别对于IPF这种病灶细微的疾病，不易作出正确诊断，而高分辨CT（HRCT）由于扫描层较薄，可以发现细微病灶。本研究选取23例特发性肺间质纤维化患者的影像资料进行分析，现报告如下。

l资料与方法

1.1临床资料 本研究资料中23例IPF患者均符合中华医学会呼吸病学分会颁布的《特发性肺（间质）纤维化诊断和治疗指南》（草案）中的诊断标准，其中男14例，女9例，年龄范围52-85岁，平均年龄（63.6±5.4）岁，病程1-8年，患者主要表现为进行性呼吸困难，刺激性干咳，且患者伴不同程度的乏力、消瘦、關节疼痛、低热等临床症状。

1.2 CT检查方法 23例患者均先后行普通CT及高分辨CT检查，普通CT：患者屏气后连续扫描，扫描范围从肺尖至肺底，参数设置为120kV，160mAs，层厚10mm，螺距为1，准直1.5mm，矩阵为256×256；高分辨CT：患者屏气后连续扫描，扫描范围从肺尖至肺底，参数设置为140kV，200mA，层厚1mm，层距10mm，轴距扫描，矩阵为512×512，2s，骨重建算法，选择合适的窗宽窗位。

1.3统计学方法 结果采用SPSS17.00统计学软件处理，计量指标以（ X±s）表示，进行t检验，检验值P<0.05表示差异具有统计学意义。

2结果

高分辨CT结果示：23例（100%）患者均显示不同程度的小叶间隔增厚，17例（73.9%）患者显示小叶性肺气肿，10例（43.5%）显示胸膜下线，均显著高于普通CT检查结果8例（34.8%）、0例（0%）、0例（0%），差异显著，有统计学意义（P<0.05）；在检查支气管扩张、胸膜增厚、网状改变、蜂窝肺、膜玻璃样密度影等方面表现时，两种方法差异不显著（P>0.05）。

3讨论

目前特发性肺间质纤维化（IPF）病因尚不明确，是一种下呼吸道的弥漫性炎性疾病，炎症多侵犯肺泡壁及邻近的肺泡腔，引起肺泡间隔增厚及肺纤维化，有时可累及到肺泡上皮细胞及毛细血管内皮细胞，甚至可累及到小血管、小气道等。患者主要表现为进行性呼吸困难，刺激性干咳或伴有少量粘痰、黄痰或血痰，乏力、消瘦、关节疼痛、低热，Velcro罗音等，该病诊断困难，病程进展慢，预后多不良，尽早明确诊断可显著改善预后。普通CT在扫描过程中由于扫描层较厚不易发现细微病灶，特别对于IPF这种病灶细微的疾病，不易作出正确诊断，而高分辨CT（HRCT）由于扫描层较薄，可以发现细微病灶，是目前活体肺部无创伤成像技术中最灵敏的工具[3]。

高分辨CT（HRCT）较普通CT的空间分辨率高，适用于适用于与周围空气、脂肪等组织形成反差的结构的观察，如肺间质病变、中耳乳突的微细结构、乳腺结节的砂粒样钙化等细微结构[4]。高分辨CT临床应用过程中有三个要素：①薄层；②高空间分辨率重建算法；③短时间扫描，这三个要素中薄层和高空间分辨率重建算法可提高CT的空间分辨率，短时间扫描可有效避免患者运动引起的伪影，保证了图像质量。高分辨CT主要用于观察微细结构的病灶，是胸部常规X线、CT扫描的补充，可清晰显示肺组织的细微病变，几乎可达到与大体标本相似的形态学改变，而且不需造影增强。

本研究中，23例IPF患者先后行普通CT及HRCT扫描，在不同程度的小叶间隔增厚、小叶性肺气肿、胸膜下线三种细微病灶方面，HRCT扫描可清晰显示，其清晰度显著高于普通CT呈影效果，对于诊断特发性肺间质纤维化具有重要意义，小叶间隔增厚可提示IPF的早期病变；在检查支气管扩张、胸膜增厚、网状改变、蜂窝肺、膜玻璃样密度影等方面表现时，两种方法差异不显著（P>0.05），对于确诊IPF意义不大，总之，HRCT检查可用于早期发现IPF，且可以提高IPF诊断的特异性和准确性。

综上所述，高分辨CT在特发性肺间质纤维化的诊断过程中具有更显著的优势，可更清晰显示病灶，更细微的显示病变结构，为临床诊断提供重要参考资料。

参考文献

[1]贾志福，李晓萍.特发性肺间质纤维化81例X线和HRCT诊断分析[J].陕西医学杂志，2011，40（7）：857-858[2]中华医学会呼吸病学分会.特发性肺（间质）纤维化诊断和治疗指南（草案）[J]中华结核和呼吸杂志，2002：6-8[3]宋承东.特发性肺间质纤维化X线及HRCT的诊断价值分析[J].临床肺科杂志，2013，18（7）：1350-1351

高分子纤维 第3篇

1 Experiment Section

1.1 Materials

Poly (vinylpyrrolidone) (PVP, Mw=1 300 000) was purchased from Aladdin Reagent company, and polymethyl methacrylate (PMMA, Mw=50 000) , was purchased from China Petroleum&Chemical.Polyacrylonitrile (PAN, Mw=80 000) purchased from China Petroleum&Chemical.Theethanolabsolute (99.7%) was purchased from Tianjin Fuyu Chemical Factory, China, dimethyl formamide (DMF, 99.5%) was purchased from Tianjin Guangcheng Chemical Reagent Co., and tetrahydrofuran (THF, 99.0%) was purchased from Tianjin Yongda Chemical Reagent Co.All these reagents were used without further purification.

1.2 Manufacture of PVP, PMMA and PAN nanofibers

1.3 Manufacturing of different molecular weight of PVP nanofibers

1.4 Manufacturing of different concentration of PVP nanofibers

1.5 Manufacturing of different solvent of PVP so-lution nanofibers

1.6 Characterization

Electrostatic spinning setup was purchased from Beijing KAIWEIXIN Science and Technology Ltd.The morphology and the diameter of the fibers were determined by scanning electron microscope (SEM, JEOL/JSM—840) .The software named Image J was used to measure the diameter of the fiber.

2 Results and Discussion

2.1 Influence of polymer structures

2.1.1 Chemical composition

In order to explore the influence of polymer structures, three different structures of the polymers were chose.Yiu-Wing Mai, et al.explored the influence of polymer structures[19].The PVP, PMMA and PAN were chose.Xingyu Jiang, et al.[20]explored the influence of functional groups.The structures of them are different;the most important functional groups are Pyrrolidine, COOEt and CN.But they have a common characteristic both of them with strong polarity.This is determined by the characteristics of electrostatic spinning.Electrospinning is a process by which a suspended droplet of polymer solution is charged to high voltage to produce fibers with diameters ranging from nanometer to micrometer.When the voltage is sufficient to overcome surface tension force, fine jets of liquid shoot out toward grounded collector.The jet is stretched and elongated before it reaches the collector, dries and is collected as an interconnected film of nanofibers.The schematic of the electrospinning apparatus used in the experimentation is as described in fig.1.So the charge the polymer carried is considered firstly.This is why PVP, PMMA and PAN were chose.Then we speculate if the polymers with the functional groups that with similar polarity they will be easily electrospinning.The others works we can verify our speculate, the PVA, PEO, PVDF and PS were easily electrospinning[21—24].Table 1 shows the process parameters of the fibers that shown in fig.2.As shown in the fig.2, the morphologies of the three polymer fibers were good.The structures were influenced by the functional groups and molecular weight.

2.1.2 Molecular weight

The molecular weight was another important factor.Different molecular weights of PVP were chose to explore the influence of fiber morphology.Syang-Peng Rwei, et al.[25]pointed out that the concentration is the main factor to affect the morphology of PVA fiber.The molecular weight is very important because the charged droplets is stretched and elongated in the electric field.If the molecular weight is too low the strength between the molecules is very small, then the droplets can’t stretched and elongated sufficiently.Table 2 shows the process parameters of the fibers that shown in fig.3.As shown in fig.3, when the molecular is very small like fig.3 (a) , (b) , (c) there was no fiber formed on the collection board.But fig.3 (d) shows the fibers were very fine.So we can get the conclusion that the polymer structure is important to influence the morphology of fibers.When the molecular weight is too small it’s can’t made nanofibers by electrospinning.

2.2 Influence of electrospinning conditions

2.2.1 Effect of concentration

Table 3 shows the process parameters of the fibers that shown in fig.4.We made PVP as the study object and prepared different concentrations (wt%) of PVP solution to study the effect of solution concentration on the morphology of electrospinning fiber, shown in fig.3.George G.Chase, et al[26]studied the influence of salt and solvent concentrations on electrospun PVP fiber.Lígia Maria Manzine Costa, et al[27]studied the effect of solution concentration on the electrospinning of PVDF.As shown in fig.4 the morphology of fiber (a) and (b) are excellent and fiber (b) and (c) have few defects with inhomogeneous diameter.With the statistics of the Image J the diameter of the fibers are472.83 nm, 575.38 nm, 673.18 nm and 735.24 nm, respectively.We can get that solution concentration has been found to most strongly affect fiber size, with fiber diameter increasing with increasing solution concentration.This conclusion is consistent with that of N.C.Beck Tan, et al[28].It is due to the inhomogeneous dispersion of solute in solvent when the solution concentration is too high and the inhomogeneous charged droplets make the stream instable when the charged droplets enter into the electric field and meanwhile effected.Thus we should both chose suitable mo-lecular weight and concentration because the charged droplets won’t be stretched sufficiently in electric field when the concentration is excess or small.

2.2.2 Effect of solvent

Table 4 shows the process parameters of the fig 5.Fig.5 shows the different solvent of the polymer.The solvent is very important for polymer electrospinning.M.Edirisinghe, et al[29]study the effort of solvent.In order to explore the effort of solvent the PVP was mainly selected for researching object, with the same concentration of PVP solution through choosing differen solvent and the same spinning process for producing.Seeing the fig.5 (a) to fig.5 (h) , we can get that the solvent kind has enormous effects on fiber appearance which is determined by solution polarity.In producing process, the DMF (N-N dimethylformamide) , ethyl alcohol and THF (Tetrahydrofuran) were selected, as we all known, the polarity of DMF is bigger than ethyl alcohol and THF.Compared with fig.5 (d) and fig.5 (h) , we can get that the morphology of the fiber were determined by the solution.The fibers appearance well as the fig.5 (d) shows, but when the solvent changed, the others keep the same, the morphology of the fibers tremendously changed.By compared fig.5 (d) with fig.5 (h) , we can see that the fiber of fig.5 (h) becomes to conglutination, which because the polarity of DMF is bigger than that of THF and the volatilization rate of DMF is stranger than that of THF.When drop moved into electric field and reached to collection board, the solvent can’t volatilize sufficiently and a little liquid was remained, which caused the surface of fiber rough.As shown in fig.5 (a) , a deal of flaw appears when the solvent was not suitable and the volatilization rate is very high.So if you want to get good nanofibers by electrospinning the suitable solvent should be chosen.

3 Conclusions

高分子纤维 第4篇

一般而言,制革过程中对皮胶原纤维的分离与松散这2个概念之间,并无严格的界定。然而,皮胶原纤维的分离和松散之间是有区别的,只是现在的众多制革工作者过分强调松散,而忽略了分离的存在。分离作为影响皮胶原纤维分离松散效果的关键因素和基础,没有分离,皮胶原纤维的松散便无从谈起。皮胶原纤维的分离主要借助于化学及生化作用,多指在各类酸、碱、酶等皮化材料和生物试剂的作用下,将较粗的皮胶原纤维束转变成较细的纤维束,而使纤维束间保持一定的距离。松散则是一种辅助作用,是分离的后续效应,多借助于物理机械作用,将分离得到的较细纤维束进一步转变成更加细小的纤维束。纵然皮胶原纤维的分离和松散这2个概念所表达的含义,及对皮胶原纤维所产生的作用结果存在一定的区别;然而皮胶原纤维的分离与松散过程并没有绝对的分界,分离中有松散,松散中也存在分离,是一个交互作用,只是在工艺过程中的某一阶段或工序,存在一个何为主次的问题。对此,就一个常规的制革工艺而言,笔者认为,准备工段通常是以分离为主,松散为辅;鞣制和湿态染整工段是皮胶原纤维定型的工程,但也存在些许分离和松散的作用;干态整饰工段则是以皮胶原纤维的松散为主,分离为辅。

皮胶原纤维的分离松散程度直接影响着成革的柔软性、丰满性、弹性、粒面状态、物理机械性能和面积得革率等[1]。因此,在制革生产过程中对皮胶原纤维进行充分而适度的分离松散处理十分必要。理想的皮胶原纤维分离松散技术应该满足3个条件:①对皮胶原纤维的分离松散作用效果好;②分离松散后的皮胶原纤维适合后续工段的处理,包括鞣制工段、湿态染整工段以及干态整饰工段等;③工艺操作简便,经济上可行[2]。对此,可采取以下各种不同的处理措施:(1)在氢氧化钠或石灰和硫化钠的溶液内浸灰;(2)在面粉溶液里发酵软化;(3)在酶制剂的溶液里实施软化;(4)在各种酸及盐的溶液里进行浸酸;(5)在脱水的盐溶液里进行脱水处理;(6)鞣制后的机械加工等。然而,皮胶原纤维的分离过程作为影响皮胶原纤维分离松散效果的关键,主要发生在准备工段的浸灰脱毛工序。

就目前的总体情况而言,制革业对皮胶原纤维的分离与松散这2个概念间的认识存在误区,过分强调松散,而忽略了分离的存在;对引起皮胶原纤维分离松散作用的原理介绍少;皮胶原纤维分离松散的技术方法虽然众多,但对其作用机制缺乏科学系统性的分析;对石灰、硫化钠在皮胶原纤维分离过程中所起的作用及替代的可行性,缺乏系统研究;对皮胶原纤维分离松散过程的分子调控机制研究不全面等。基于上述现状,本文在分子水平上,对采用不同材料及方法处理皮胶原纤维对皮中胶原纤维束以及蛋白聚糖等纤维间质的影响机制,进行了分析介绍,揭示了皮胶原纤维分离松散过程中的分子行为特点,为找寻分离松散皮胶原纤维的新型皮革化学品、设备装置提供思路,为成功开发出理想的绿色皮胶原纤维分离松散技术,提供科学依据。

1 生皮化学与生皮组织学

从组织学角度来讲,用于制革的原料皮主要利用的是生皮的真皮层部分,然而从化学组成来讲,是利用其皮胶原部分。除此之外的其它组织或成分如毛、表皮、皮下组织等以及可溶性蛋白质(如白蛋白、球蛋白等),在准备工段的各工序都要作为它用之物而被除去。胶原作为生皮中最主要的纤维蛋白质,是动物皮肤的主要成分。通过大量研究,人们总结出胶原具有独特的4级结构:肽链上特定的氨基酸序列为一级结构;α链形成左手三股螺旋为其2级结构;3级结构是3条左手三股螺旋形成的右手复合螺旋(如图1所示);而4级结构是指原胶原分子中存在的4D交错的分子排列方式以及Smith空间模型[3]。其结构的变化可以简单地表示为:氨基酸多肽多肽链原胶原分子胶原微纤维胶原纤维胶原纤维束。

从宏观看,生皮中的胶原纤维以纤维束的形式存在,一束较粗的纤维束由数量不等的细纤维编织而成,这些细纤维也可与其它纤维束合并形成另一较粗的纤维束。皮胶原纤维如此合而又分,分而又合,纵横交错,相互穿插交织,形成了一种特殊的三维立体网状结构。为了维持胶原蛋白分子中的这种特殊结构,势必存在各种作用力。研究发现,维持胶原蛋白分子结构的作用力众多,主要是一些弱的相互作用称为非共价键或次级键,包括氢键、范德华力、疏水相互作用和盐键(离子键)。这些次级键和交联结构将胶原分子牢固地连接在一起,使皮胶原纤维束和生皮具有极大的强度和韧性。对此,为了促进皮革化学品与皮胶原纤维的充分结合,缩小不同部位之间的差别,使得经过加工的皮胶原纤维组织具有适当的丰满性和柔软度,需要通过一些皮革化学品的作用打开部分次级键和使主链上的肽键断裂,对皮胶原纤维进行充分而适度的分离松散。

如上所述,胶原纤维具有三维立体网状结构,有着极大的强度和韧性,而未经任何处理的生皮,在这种三维立体网状结构中,充填着大量的纤维间质。这些纤维间质又进一步增强了生皮的韧性、强度和弹性。研究表明[4]:皮内纤维间质的除去情况,也严重影响着皮胶原纤维束的分离松散程度。皮内的纤维间质主要分为粘蛋白和类粘蛋白2类。粘蛋白主要是球蛋白和白蛋白等球状蛋白质,它们游离于皮胶原纤维之间,生物体存活时能起到润滑胶原纤维的作用,生皮干燥后它们会将皮胶原纤维粘结起来,使纤维失去柔软性而变脆[5],生皮在盐腌和浸水时这些粘蛋白就已经被洗出来。类粘蛋白也就是蛋白聚糖,它们存在于胶原纤维之间,在皮肤组织中起到承压的作用[6,7]。蛋白聚糖作为纤维间质的主要成分,其好比皮肤中的胶粘剂,将皮胶原纤维紧密地连接在了一起。如图2所示,为蛋白聚糖与皮胶原纤维间的连接结构模型[8]。从图2可以看到,蛋白聚糖存在于皮胶原纤维的表面[9],通过静电引力和皮胶原纤维相结合。对此,若不通过某些操作将皮中的蛋白聚糖等纤维间质水解除去,将很难达到分离松散皮胶原纤维的目的。

蛋白聚糖比较难除去,它主要包括透明质酸和硫酸皮肤素(其它还有硫酸软骨素、硫酸角质素和肝素等)[10]。透明质酸分子质量很大(>106),但它与皮胶原纤维不结合,比较容易除去;硫酸皮肤素分子质量虽然较小,但它能与胶原牢固结合,影响皮胶原纤维的分离松散。硫酸皮肤素蛋白聚糖的分子结构比较复杂(如图3所示)[11],它是由2～3根线性的聚氨基糖侧链与一个非纤维蛋白骨架通过共价键结合而成[12],每根侧链由大量的二糖单位重复结合而成,硫酸皮肤素的组成二糖为L-艾杜糖醛酸和N-乙酰-D-氨基半糖乳酸-4-硫酸,侧链排列整齐,电荷高度集中。蛋白聚糖就是通过强静电力与胶原纤维结合[13],其分布与胶原纤维独有的67nm间隔横纹相对应,在胶原纤维表面形成一层具有密集电荷的鞘,起到稳定纤维结构的作用。聚氨基糖的含量在皮中并不多,牛皮乳头层约含0.5%,网状层约为0.2%,但它的存在却会严重影响皮胶原纤维的分离松散[14]。

2 皮胶原纤维的分离松散过程与分子作用分析

如前言部分所述,分离作为影响皮胶原纤维分离松散效果之根本,没有分离,皮胶原纤维的松散就无从谈起,松散则是一种辅助作用,是分离的后续效应,多发生在制革工艺过程中的干态整饰工段,主要借助于鞣制后的机械加工等处理。对此,现将对皮胶原纤维的分离过程进行重点阐述。

就常规工艺而言,皮胶原纤维的分离主要发生在准备工段的浸灰脱毛工序,且主要通过使用硫化钠、硫氢化钠和石灰等皮革化学品,来实现预期的目标。然而,针对常规灰碱法在浸灰过程中产生大量石灰淤泥的缺点[1,15,16],国内外研究者做了大量的工作。近年来,一些可以降低石灰用量的新型材料,已在制革生产中得到了广泛应用。其中,氢氧化钠作为一种易溶于水的强碱,价格便宜。对此,制革工作者对采用氢氧化钠分离皮胶原纤维的作用机制及工艺条件进行了大量研究,希望能用它代替硫化钠、硫氢化钠、石灰等分离皮胶原纤维。另外,有研究报道,使用硅酸盐、蛋白酶以及淀粉酶分离皮胶原纤维的新型技术与方法。然而,无论就哪种材料而言,都是通过以下2方面的作用达到分离皮胶原纤维的目的与要求。

2.1 胶原纤维结构的变化

如上所述,胶原纤维是通过纤维束的不断聚集形成的。在胶原纤维分子内和分子之间存在着大量的氢键等次级键以及十分稳定的交联键,这些次级键和交联键将胶原分子牢固地连接在一起,使胶原纤维束和生皮具有极大的强度和韧性。制革加工过程中,如果缺少对纤维、胶原分子间交联键的作用并适当削弱其结构的稳定性和强度,成革的物理化学性能就无法达到革制品的要求。然而,制革过程中的酸、碱、酶等工序处理,便能够满足上述目的。

胶原对酸、碱有一定的缓冲能力。酸容量为0.82～0.90mmol/g,碱容量为0.40～0.50mmol/g,过量的酸、碱则会引起胶原纤维结构的变化。酸、碱处理可以使胶原多肽链上的胶原酰胺基及胍基等发生水解,不仅达到了分离皮胶原纤维的目的,同时也增加了胶原纤维肽链上的羧基、氨基等反应活性基,利于后续工段各工序的加工处理。式1是在碱的作用下,胶原多肽链上的胶原酰胺基发生水解,释放出羧基,从而导致胶原羧基的数目增加,天冬酰胺和谷氨酰胺水解成为天冬氨酸和谷氨酸,胶原等电点下降。如式2所示,胶原多肽链上胍基的水解可增加胶原的氨基数目,精氨酸的胍基也部分水解成鸟氨酸或瓜氨酸[4]。

此外,在碱的作用下,胶原肽链间的氢键和盐键等部分次级键被打开(如式3所示),作用强烈时甚至肽链及肽链间的交联也要断开(如式4所示),胶原结构得到了充分的分离[4]。酸分无机酸和有机酸,无机酸与有机酸的作用机理存在差异,对皮胶原的分离效果不同(一般有机酸强于无机酸)。常规制革工艺中主要使用甲酸、硫酸等酸类物质。甲酸为有机酸,在水溶液中表现为弱酸,作用缓和;硫酸为无机酸,酸性强,容易为胶原吸收。甲酸分离皮胶原纤维的作用强于硫酸,一方面的原因就在于,甲酸分子较小(估算小于4Å),可进入胶原原纤维之间的间隙(胶原原纤维间隙为10～15Å),与肽链或侧链的极性基团形成氢键,从而打断相邻胶原原纤维肽链间的氢键,较好地隔离了胶原原纤维(如式5所示)[17]。天然胶原也能被胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶和胃蛋白酶等蛋白酶作用,与酸、碱处理不同,酶处理一般不会破坏肽链中的酰胺结构、氢键,不会增加静电斥力、降低分子的内聚力。

一种降低细菌纤维素分子量的方法 第5篇

关键词：细菌纤维素,半乳糖醛酸,低分子量

细菌纤维素( BC) 是一种以木醋杆菌( Acetobacter Xylinum,A. x) 等细菌分泌的一种胞外多糖。BC具有植物纤维素无法比拟的一些优良性能,如纯度高、结晶度高、极佳的形状维持能力和抗撕力等,因而受到广泛关注[1,2,3],并且BC在其合成时一些性能可调控[4,5],因此被认为是最好的纤维素。在应用过程中,BC因其分子量大很难溶解制约了它的一些应用,因此有必要生产低分子量的BC。几年前本课题组的冯玉红[6]就通过改变实验的条件如温度等合成了低相对分子质量的细菌纤维素; 另外,Kunihiko Waanabe等[7]通过在合成体系中添加一些不能使分子链端再增长的封端单体,如甘油( glycerol) 来达到生物合成控制分子量的目的。所以本研究设想添加一些阻止分子链端增长的封端底物分子,比如半乳糖醛酸( Galacturonic acid)替代蔗糖直接作为碳源合成入产物分子中,使不再具备使纤维素分子链再增长的结构; 由此可达到控制分子链增长的目的,实现分子量控制。

1 实验

1. 1 主要原料、试剂和仪器

菌种: 木醋杆菌( Acetobacter xylinum) 本实验室自行筛选;椰子水: 新鲜的海南椰子水,室温放置发酵4 d; 半乳糖醛酸( 分析纯,阿拉丁试剂) ; 其他试剂均为分析纯。

傅里叶变换红外光谱仪( TENSOR27 型) : 德国Bruker公司; 扫描电镜( S - 3000N) : 日本Hitachi公司; 多晶X射线衍射仪( D8 Advance) : 德国Bruker公司; 热失重分析仪( SDT -Q600) : 美国TA公司; 凝胶色谱分析仪( Waters1515 HPLC泵,Waters2414 示差检测器) : 美国Waters公司。

斜面培养基( g/L) : 硫酸镁0. 25,硫酸铵1. 5,琼脂8. 5,椰子水; p H = 4. 0。高温灭菌15 min。

种子培养基( g/L) : 蔗糖20,硫酸镁0. 25,硫酸铵1. 5,磷酸二氢钾0. 5,发酵的椰子水; p H = 4. 0。高温灭菌15 min。

发酵培养基( g/L) : 蔗糖10,硫酸镁0. 25,硫酸铵1. 5,磷酸二氢钾0. 5,半乳糖醛酸10,发酵的椰子水; p H = 4. 0。高温灭菌15 min。

1. 2 BC膜的制备及纯化

1. 2. 1 BC膜的制备

取一环活化好的斜面菌种接入种子培养基,在直径为10 cm的培养皿中,室温静置培养1. 5 d,以5% 的接种量接入100 m L的发酵培养基,在2 份发酵培养基里面分别添加蔗糖和半乳糖醛酸,充分振荡。加Na OH将其p H值调至3. 5 ~ 5. 0。接种培养5 d,膜的厚度基本上不变时,从培养箱中取出,得到透明凝胶膜。

1. 2. 2 BC膜的纯化

将凝胶状膜用水冲洗12 h,后用250 m Lρ( Na OH) = 10 g/L的Na OH溶液煮2 h,再用弱酸调节p H = 7. 0,最后用二次水冲洗,得凝胶状BC膜,然后冷冻干燥至恒重,得到干态BC薄膜。

1. 3 持水率测试

用纸吸取BC薄膜表面的水分,所得膜定义为湿膜,称其湿膜质量m1; 冷冻干燥至恒重,所得膜定义为干膜,其质量为m2。持水率按( 1) 式计算:

1. 4 BC薄膜的产率

膜冷冻干燥至恒重,称其质量为m( g) ,培养皿中原培养液体积为V( L) ,BC薄膜的产率R( g/L) 为:

1. 5 BC薄膜的表征

傅里叶变换红外光谱:KBr压片。

扫描电镜:放大倍数10 k倍。

X - 射线衍射仪: 扫描范围为5° ~ 40°,Cu靶,管流40 m A,管压40 k V。

热重: 温度范围为30 ~ 600 ℃ ,N2气氛,升温速率为10 ℃ / min。

1. 6 衍生化[8]和凝胶色谱分析

取BC粉末0. 10 g至50 m L烧瓶中,加1. 25 m L三氟乙酸( TFA) 和0. 4 m L三氟乙酸酐( TFAA) ,常温下搅拌2. 5 h后得到透明的高粘度溶液,然后向内加3 m L的氯仿稀释,常温下放置10 h,用二乙醚100 m L洗涤,得到白色聚合物,在室温下80 Pa放置15 h后,于150 ℃ ,80 Pa干燥20 min除去二乙醚和TFA,得纯细菌纤维素三氟乙酸酯( CTFA) 。用色谱纯的0. 5 m L四氢呋喃( THF) 溶解CTFA0. 15 g,过滤后进样。标样为聚苯乙烯,色谱柱为聚苯乙烯凝胶柱,保留时间为15 min,柱温为45 ℃ ,流速为1 m L/min。

2 结果与讨论

2. 1 BC膜的制备

采用静态发酵的培养方法制备BC,以木醋杆菌Acetobacter xylinum为菌种,以椰子水为主要培养体系,制备的BC经碱溶液处理洗涤后得纯的BC凝胶膜,冷冻干燥得BC干膜。

2. 2 持水率测试

以蔗糖为碳源合成的BC( 样1) 的持水率为141% ,而以半乳糖醛酸为碳源合成的BC( 样2) 的持水率是107% ,持水率有所下降,但两者都具有非常高的持水率,这首先是因为BC是经木醋杆菌细胞壁分泌到液体培养基中大量聚集在一起形成的,以此形成的膜会包裹大量的水分; 其次,由于纤维素具有很好的三维网状结构,间隙的内表面积很大,可以吸收大量的水分。

2. 3 BC的产率

样1 的产率为5. 45 g/L,而样2 的产率下降的比较多为1. 75 g / L。可能是加入的半乳糖醛酸被木醋杆菌代谢的比较慢,阻止了大规模发酵系统的进行。

2. 4 BC的表征

2. 4. 1 傅里叶变换红外光谱分析

图2 所示为样1 和样2 的红外谱图,由于BC结构中含有许多羟基,所以在3354. 8 cm- 1处的- OH伸缩振动的吸收峰显著,2896 cm- 1处为亚甲基- CH2的对称伸缩振动峰,1060cm- 1处为C - O的伸缩振动峰。899 cm- 1为糖苷键的特征吸收峰。对照两个图的红外特征峰,几乎完全一至,说明它们的产物在结构上是一样的。

2. 4. 2 扫描电镜表征

图3 为BC的扫描电镜图,从图中可以看BC有很好的三维网状结构,因其结构所以具有很强的吸湿性能和很好的机械性能,但添加半乳糖醛酸的样2 具有超微细网状结构,由高密度微纤维相互缠绕,形成微纤维,看起来致密性比较好,所以持水率没有样1 的高。

2. 4. 3 X - 射线衍射仪测试

图4 所示为样1 和样2 的X - 射线衍射峰,在14. 5°,16. 9°,22. 7°三处都有明显的衍射峰,因样品量不同而强度不同,但衍射峰的峰型是一样的,且在22. 7° 处的衍射峰最强。用JADE5. 0 软件[9]计算产物的结晶指数,样1 的结晶指数为96% ,而样2 的为92% ,有稍微降低。

2. 4. 4 热重分析

图5 所示为样1 和样2 的TG谱图,由图可知,添加半乳糖醛酸的BC的热分解温度降低,添加蔗糖的BC到550 ℃ 已经几乎全部分解,但添加半乳糖醛酸的BC到600 ℃ 还有20% 的量未分解,可能该BC中含有一些难分解的成分。TG的失重百分比及DTG的最大失重温度点列于表1。由表1 可见,添加半乳糖醛酸后,产物的最大失重温度较纯BC要低30 ℃ 左右,失重百分比也有下降趋势。但不同比例的半乳糖醛酸的添加其失重百分比差别不大。

2. 4. 5 凝胶色谱测试

BC是高分子化合物,常规其分子量的测定一般是先用DMAc / Li Cl溶解[10],然后用乌氏粘度计测定,但此种方法只能粗略得到聚和度及粘均分子量。而凝胶色谱( GPC) 是比较常用的测定分子量的方法,样品用有机溶剂溶解或水溶解。但BC很难溶于一般的有机溶剂或水,所以只有将BC进行衍生化,通过测定衍生化产物的分子量而推测BC的分子量。

分别将样1 与样2 衍生化后,溶解于THF,GPC测试结果如表2 所示,添加半乳糖醛酸所得产物的纤维素三氟乙酸酯的分子量降低了10 万左右,相对分子质量分布指数增大。

3 结论

以椰子水为主要培养体系,在生物合成BC过程中添加半乳糖醛酸,半乳糖醛酸的添加使产物的结构及微观结构没有太大差别,但产物的产率、持水率及结晶指数有所下降,热稳定性也稍微变差,但乳糖醛酸的添加却大大降低了BC的分子量,所以半乳糖醛酸有望作为碳源来合成低分子量的细菌纤维素。

参考文献

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[6]冯玉红,林强,王锡彬,等.低相对分子质量细菌纤维素的生物合成[J].精细化工,2006,23(10):954-956.

[7]Kunihiko Waanabe,Mari Tabuchi,Yasush Morinaga,Fumihiro Yoshnaga.Structural features and properties of bacterial cellulose produced in agitated culture[J],Cellulose,1998(5):187-200.

[8]Liebert,T,Schnabelrauch,M,Klemm,D,et al.Readily hydrolysable cellulose esters asintermediates for the regioselective derivatization of cellulose;II.Soluble,highly substituted cellulose trifluoroacetates[J].Cellulose,1994,1:249-258.

[9]Striegel,A M.Influence of anomeric configuration on mechanochemical degradation of polysaccharides:Cellulose versus amylose[J].Biomacromolecules,2007,8(12):3944-3949.

高分子纤维 第6篇

近年来, 研究者们从实验研究、分析模型、数值模型3个方面对二维织物的抗弹机理进行了比较系统的研究。顾冰芳等[3]用不同形状弹体测试叠层织物弹道冲击性质, 观测纤维受冲击时的破环型态和微观损伤机理, 发现了二维织物抵御圆头弹的能力要优于尖头弹;Zohdi等[4]建立二维平纹织物多尺度集合结构用以计算大尺寸织物弹道冲击变形, 并用分析模型解决了二维平纹织物弹道冲击破坏计算问题;Zeng等[5]讨论了纱线卷曲、纱线间摩擦等条件对织物弹道冲击行为的影响, 并数值模拟了弹道侵彻过程。本次试验将二维织物材料与传统UD布材料进行了比较研究, 验证了UHMWPE纤维二维织物作为防弹材料的基本可靠性, 并探究了其与UD布配合使用作为防弹材料时的抗弹性能。

1 试验部分

1.1 试样制备

二维织物及UD布均购自于宁波大成新材料股份有限公司, 采用的UHMWPE纤维基本参数如表1。

二维织物为平纹结构, 经纱密度为61根/10cm, 纬纱密度为60根/10cm;UD布为2层单向UHMWPE纤维按0°/90°的方式平铺热压。每块材料均被裁减为220mm220mm的方形。将二维织物及UD布分别按经纬向一致的方式叠加, 制备二维织物靶板及UD布靶板, 分为A组、B组;将二维织物与UD布一同叠加制备二维织物/UD布复合靶板, 分为C组, 其中UD布为靶板正面 (迎弹面) 。靶试中控制各块靶板面密度大致相同, 二维织物靶板为38层, UD布靶板为40层, 二维织物/UD布靶板为22层UD布+17层二维织物。靶板编号及参数如表2。

1.2 试验条件与检测方法

靶试在中国兵器工业集团第208所 (北京) 装备特种产品质量监督检测中心进行, 参照“GA141-2010警用防弹衣”标准[6]。试验用枪为208所弹道试验室测试用枪, 规格等同1954年式7.62mm手枪。试验用弹为1951年式7.62mm手枪弹 (铅芯) , 弹头标称质量5.6g, 弹头结构为圆头铅芯、覆铜钢被甲, 长度25mm, 每块靶板打1发。射击距离为5m;枪弹初速为445±10m/s;射击法线角为0°。射击试验的环境温度为23±2℃, 相对湿度为30%~70%。

靶板抗弹性能主要通过背衬凹陷深度、背衬凹陷最大横截面直径等指标进行对比, 各指标的测量换算方法如下[7]:

(1) 背衬凹陷深度

弹丸被靶板阻断后, 在背衬材料上留下的压缩变形印痕的深度 (BFS) , 其测量值为背衬材料参照基准面到压缩最大点的距离, 单位为mm。

(2) 背衬凹陷最大横截面直径

弹丸被靶板阻断后, 在背衬材料上留下的压缩变形最大的横截面直径, 其测量值为背衬凹陷位于背衬参照基准面的横截面直径, 单位为mm。

靶板固定在靶试专用胶泥板上, 通过胶泥板上胶泥的形态来量取靶板背凸深度及直径等参数, 靶板固定方式及弹着点示意图如图1。

2 结果与分析

2.1 抗弹性能

试验结果如表3所示, 9次射击的弹丸速度均在规定范围内, 能够充分反映各靶板的抗弹性能。

按照“GA141-2010警用防弹衣”标准, 靶板背衬凹陷深度应不超过25mm。

A组中, 3块靶板均未被穿透但背衬凹陷深度分别超过了规定值3.1mm、2.3mm、4.1mm。A组靶板在弹丸侵彻时能够起到一定的抗弹作用, 但其背衬凹陷深度较大, 会造成一定的二次伤害。

B组中, B-1靶板的背凸凹陷深度为25.1mm, 超出了标准规定值0.1mm, B-2与B-3靶板的凹陷深度都未超出标准规定的25mm。B组靶板抗弹性能总体良好, 说明了UHMWPE纤维UD布作为抗弹材料, 性能稳定可靠。

C组中, C-1靶板背衬凹陷深度低于标准规定值0.1mm, C-2靶板背衬凹陷深度高于标准规定值1.2mm但其弹速在规定范围内偏高, B-3靶板则被击穿。UD布/二维织物复合靶板能够发挥较佳的抗弹效果, 但是性能没有B组的UD布靶板稳定。

比较未被穿透的8块靶板, A组靶板的背衬凹陷深度普遍比较大, 二次伤害将相对严重些, 但其凹陷直径与B组靶板相比, 相对较小。B组、C组靶板的背衬凹陷深度相差不大, 但B组靶板的背衬凹陷直径比C-1、C-2靶板要大。B组中, B-3靶板的背衬凹陷直径最小, 为56.0mm, B-1靶板的背衬凹陷直径最大, 为70.1mm。C-1、C-2靶板的背衬凹陷直径分别为45.0、42.0mm。2组靶板中背衬凹陷直径最小相差11.0mm, 最大相差28.1mm。说明了在弹丸高速侵彻时, UD布靶板的抗弹性能比二维织物要可靠稳定, 但二维织物能够有效减少毁伤面积。

2.2 靶板形貌

A组靶板的入射面为二维织物, 弹孔成圆形, 如图2;其余靶板的入射面均为UD布, 弹孔呈方形, 如图3。观察A-1靶板与B-1靶板的入射面, 弹孔位置的纤维被剪切破坏, 弹孔周围有部分纤维被拉伸破坏, 其余大部分纤维未被破坏, 且表面也基本上没有发生形变。说明了在弹丸入射时, 弹速较高, 只有弹着点部分的纤维参与了吸收弹丸动能, 且以纤维的剪切破坏为主要的吸能形式, 大部分应力波沿靶板轴向传播出去[8]。

随着弹丸在靶板内部侵彻, 弹丸动能逐步降低, 并在UH-MWPE纤维的作用下逐渐变形, 最后被压成近似圆饼状, 如图4。说明了弹丸自身的形变吸收了部分弹丸动能。同时在侵彻过程中, 随着弹丸的形变, 与纤维的接触面积逐步增加, 造成局部压强逐步减少, 降低了侵彻靶板的能力。在动能降低与自身形变的共同影响下, 弹丸丧失了继续穿透靶板的能力, 只能够引起靶板的变形。

运用3D扫描技术对未被击穿的8块靶板背面进行3D扫描建模, 如图5, 并对背凸体积进行了计算, 计算结果如图6。背凸体积进一步反应了2次毁伤效应, 背凸体积越小则2次毁伤效应越小。A组中虽然背凸凹陷深度较大, 但其背凸体积与B组的UD布靶板相比较小, 说明二维织物的毁伤面积较小。C组复合靶板的背凸体积总体比A组、B组小, 虽然C-3靶板被击穿, 但其余2块靶板不论是背衬凹陷深度还是背凸体积, 表现都较为优异。

观察靶板背面, 如图7, UD布靶板背面背凸较大, 形貌不规整, 皱缩变形严重。几乎背面上所有纤维都参与了吸收弹丸动能, 弹丸侵彻方向周围的纤维拉伸破坏严重, 同时背凸位置上还有部分纤维被“绷断”, 其余位置的纤维也有较大的拉伸破坏, 这表明沿纤维轴向传播的应力波逐渐加大。如果再进行第2次射击后, UD靶板将会很难起到防护作用。观察二维织物的靶板背面, 与UD布靶板相比较, 其背凸较小, 且背面形貌较为规整, 整体皱缩与形变也相对较少。除弹丸侵彻方向周围的纤维有一定程度的拉伸破坏, 其他位置的纤维排列较为有序, 且破坏程度比较小。

比较8块没有被击穿的靶板表面形貌, 可以发现在第1次弹丸侵彻之后, 二维织物靶板整体结构较好, 毁伤面积较小, 但其背凸凹陷深度稍大;UD靶板背凸体积与背面皱缩较大, 纤维拉伸破坏严重, 整体结构保持较差, 很难在多次弹丸侵彻之后发挥防护作用;UD布/二维织物复合靶板在第1次弹丸侵彻之后, 二维织物部分皱缩程度较小, 纤维的拉伸破坏也不是特别严重, 整体结构保持良好, 可以预见其在抵御多次弹丸侵彻时的性能要由于二维织物靶板及UD布靶板。

3 结论

(1) 二维织物单独使用时, 能够起到抗弹防护作用, 但其背凸凹陷深度较大, 会造成一定程度的2次伤害, 但其在首发弹侵彻之后, 整体结构较为完好。

(2) UD布作为抗弹材料, 在首发弹侵彻时, 能够有效起到防护作用, 但其靶板在被侵彻后, 背面变形较大, 褶皱与纤维拉伸破坏都较为严重, 背面还有部分纤维被剪切破坏, 其在第2发弹侵彻时, 将很难起到防护作用。

(3) 二维织物作为抗弹材料, 与UD布配合制备复合靶板, 能够较有效地抵御首发弹侵彻, 同时其背凸体积比UD布小, 毁伤面积进一步缩小。

(4) 二维织物在抵抗弹丸侵彻时, 效果明显, 由于纤维经纬交错, 有效提高了整体结构性能, 大部分纤维在首发弹侵彻之后, 能够较好保存, 其抗多发弹侵彻的能力将比UD布要高, 与UD布配合使用时能够进一步发挥出抗弹效能。

参考文献

[1]左向春, 王瑞岭, 刘腾龙, 等.防弹无纬布复合材料的现状[J].玻璃钢/复合材料2010, (5) :84-86.

[2]吴中伟, 高沛, 刘元坤, 等改性胶粘剂对芳纶单向布防弹性能的影响[J].高科技纤维与应用, 2011, (5) :41-45.

[3]顾冰芳, 龚烈航, 徐国跃Kevlar纤维叠层织物防弹机理和性能研究[J]南京理工大学学报 (自然科学版) , 2007, (5) :638-642.

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[7]李琦, 龚烈航, 张庚申, 等.芳纶与高强度聚乙烯纤维叠层组合对弹片的防护性能[J].纤维复合材料, 2004, 21 (3) :3-5.

高分子纤维 第7篇

剑乔科技江苏有限公司年产3200 t超高分子量聚乙烯纤维项目, 日前在江苏省镇江市开工建设。该项目位于镇江新区大港, 占地面积10.5万m2, 规划建筑总面积为5.349万m2。项目将投资10亿元建设10条超高分子量聚乙烯纤维生产线、2条无纬布生产线和1条年产10万件防弹衣生产线。该项目建成投产后, 可实现年销售收入9.7亿元。

剑乔科技江苏有限公司是由江苏神泰科技发展有限公司、武汉宏朗石化设备制造有限公司、江苏国侨石化有限公司、张家港东升机械有限公司共同投资组建。 (沈镇平)

高分子纤维 第8篇

超高分子量聚乙烯是继芳纶纤维后又一类具有高取向伸直链结构的纤维, 是一种线型结构的热塑性工程塑料, 其相对分子质量极高, 分子链之间的缠绕多, 在加热条件下分子链段运动困难, 为成型加工带来很大困难[4,5]。但由于其具有一些独特的性能 (如优异的耐磨性和耐冲击性等) 促使人们不断地探索新的加工方法。

近年来, 超声波振动技术在高聚物加工中 的应用引 起了广泛注意[5]。振动力场的引入可使聚合物熔体的表观黏度降低、弹性减少[5]。于妍等[6]利用自行 研制的超 声混炼装 置对UHMWPE进行超声 混炼, 通过超声 混炼可以 有效地降 低UHMWPE的黏度, 并且使得材 料的断裂 伸长率等 性能得到 很大提高;Lin H等[7]利用超声波作用研究了PP/PA6混合物的力学和流变性能, 结果表明, 当PP/PA6的混合物按照一定比例混合时, 经过超声波处理的聚合物的拉伸弹性和断裂强度几乎 可以达到 未经超声 波处理的 混合物的 两倍;罗佳等[8]利用超声波作用对聚丙烯 (PP) 和聚苯乙 烯 (PS) 等聚合物进行超声波实验研究, 发现超声波作用可以有效降低聚合物黏度, 提高挤出产量;Wan Y Q等[9,10]利用自行设计的超声波振动静电纺丝装置对聚丙烯腈 (PAN) 溶液进行纺丝实验, 结果表明, 经过超声波振动后的溶液静电纺丝所得纤维直径大幅度减小;利用该装置还可以对普通静电纺设备不可纺的高浓度聚氧乙烯 (PEO) 进行纺丝实验, 且所得纤维直 径可达到100nm左右。可以看出, 超声波技术在改善聚合物流变性能和力学性能方面效果理想。

本研究将超声波振动技术应用于静电纺UHMWPE纤维制备中, 希望通过该方法制得超细UHMWPE纤维并在一定程度上改善静电纺UHMWPE的结晶结构, 提高静电纺UHMWPE超细纤维的力学性能。本研究对静电纺纳米纤维的结构改善和力学性能的提高具有理论及实践指导意义。

1 实验部分

1.1 材料与设备

1.1.1 材料及试剂

UHMWPE粉末 (分子量4×106g/mol, 熔点130~ 138℃) , 山西天罡超高乙烯制品有限公司;Irganox B225混合抗氧化剂 (50%抗氧剂1010和50%抗氧剂168) , 苏州市集信商贸有限公司;液体石蜡、对二甲苯, 上海国药集团化 学试剂有限公司的分析纯试剂。

1.1.2 仪器设备

微量注射泵 (TJ-3A型) , 河北保定兰格蠕动泵有限公司;高压直流电源, 北京市机电研究院高压技术公司;恒温磁力搅拌器 (SI-Analytics SLR) , 德国SIA公司;超声波处理器 (FS-1200型) , 上海生析超 声仪器有 限公司;扫描电子 显微镜 (SU1510型) , 日本日立公司;傅里叶变 换红外光 谱仪 (NICOLET is10型) , 赛默飞世尔科技 (中国) 有限公司;X射线衍射仪 (D8Advance型) , 德国布鲁克AXS有限公司;微机控制电子万能试验机 (KDⅡ-0.05型) , 深圳凯强利实验仪器有限公司。

1.2 制备方法

1.2.1 超声波振动静电纺 UHMWPE纤维的制备

先称取一定质量的UHMWPE粉末和0.01gB225混合抗氧化剂于广口瓶中, 然后滴入相应质量的液体石蜡溶剂, 配制成不同质量分数的溶液, 在130℃条件下溶胀1h, 再在150℃条件下磁力搅拌至UHMWPE完全溶解。将配制好的纺丝液进行相同频率不同时间的超声波振动处理, 超声波振动频率为20kHz, 振动时间分别为0min、2min、5min、8min和10min。随后, 将超声波振动处理过的纺丝液倒入20mL玻璃针筒中, 在选定的工艺参数下进行静电纺丝。经前期试验, 选定纺丝 过程的工艺参数为纺丝电压13kV、纺丝速度0.6mL/h、纺丝距离 (铝箔纸距喷丝口的距离) 25cm。静电纺所得纤维被直接接收到二甲苯萃取浴中, 萃取后的纤维干燥12h以上。将制得的UHMWPE纤维以20根集成一束, 在80℃条件下拉伸至两倍, 拉伸后的纤维在自然伸缩状态下室温中放置5h以上。

1.2.2 扫描电镜 (SEM) 观察

采用SEM观察相同频率不同时间超声波振动对静电 纺UHMWPE纤维的直径变化和表面形态的影响。

1.2.3 X-射线衍射 (XRD) 分析

对比相同超声波振动频率不同振动时间对静电纺UHMWPE纤维膜的结晶程度 变化情况 的影响。采用NaI晶体闪烁计数器测量X射线的强 度, 扫描步速4°/min, 扫描范围 为3~70°, 步长为0.02°。

1.2.4 力学性能测试

使用KDⅡ-0.05型微机控制电子万能试验机对束纤维进行强力拉伸测试。采用2cm试样夹持长度, 10mm/min拉伸速度。不同条件下制备的UHMWPE纤维分别测试4个试样。

2 结果与讨论

2.1 UHMWPE纤维直径变化

从图1和图2中可以看出, 溶液经过 超声波振 动处理后 再进行静电纺丝所得到的纤维表面更加平滑。这是因为超声波振动作用使溶液中的大分子热运动能增加, 分子链段的蠕 动性增强, 增加了分子取向, 更有利于纤维的成形。

图3为不同超声波振动时间静电纺UHMWPE纤维直径变化趋势图。可以看出, 溶液经过超声波振动后静电纺所得到的纤维直径 明显变细。1.75% UHMWPE纤维 (a) 直径由2487nm降到772nm, 2.0%UHMWPE纤维 (b) 直径由3577nm降到1169nm, 将近原来的1/3。这是因为施加超声波振动后, 溶液的黏度降低, 溶液的流动性比未经振动时明显增强, 纤维更容易克服表面张力在静电场的作用下拉伸变细[11]。

2.2 XRD分析

图4为不同超 声波振动 时间2.0% UHMWPE纤维的XRD谱图。从谱图中可以看出, 超声波振动0min的UHMWPE纤维 (a) 几乎没有结晶峰, 这说明UHMWPE纤维在超 声波振动和静电 纺丝过程 中结构发 生了变化, 超声波振 动5min的UHMWPE纤维 (b) 在2θ=21.5°附近表现 出极弱的结晶峰, 超声波振动10min的UHMWPE纤维 (c) 分别在2θ= 21.5°和2θ=23.9°位置出现 典型的UHMWPE的 (110) 和 (200) 晶面, 使用MDI Jade软件计算 得到 (a) 的结晶度 为1.04%, (b) 的结晶度为2.46%, (c) 的结晶度为12.69%。这表明, 超声波振动作用可以明显提高纤维的结晶度。其 原因在于超声波作用使分子间作用力减弱, 链段活动性增强, 链的缠结程度降低, 分子链段的跃迁或滑移变得容易[12], 分子链取向更趋向一致, 分子链段在纺丝过程中更趋于规整排列, 从而更易形成结晶结构。

[ (a) 1.75%UHMPWE纤维; (b) 2.0%UHMWPE纤维]

[ (a) 超声波振动0min; (b) 超声波振动5min; (c) 超声波振动10min; (d) UHMWPE粉末]

[ (a) 1.75%UHMWPE纤维; (b) 2.0%UHMWPE纤维]

2.3 力学性能分析

从图5中可以看出, UHMWPE纤维比应力随着超声波振动处理时间的延长稳步提高。由1.75%的UHMWPE溶液制备的纤维, 其比应力由超声波振动0min时的3.2cN/den提高到了振动时间10min时的6.2cN/den;由2.0%UHMWPE溶液制备的纤维, 其比应力则由超声波振动0min时的3.7cN/den提高到了振动10min的6.9cN/den, 两种纤维的比应力增幅均接近两倍之多。这说明超声波振动可以显著提高UHMWPE纤维的拉伸性能。这是因为超声波作用使聚合物分子链段在其平衡位置附近产生振动, 分子间发生内摩擦, 从而吸收一部分声能, 并将它转换成热能使其自身获得一定温升[5]。

超声波作用时间越长, 体系温升程度也越大, 分子内部热运动能提高, 分子链段解缠充分, 大分子的柔曲性提高[13], 分子链段的跃迁或滑移变得容易[12], 结晶度提高, 结晶区面积增大, 分子链段在纺丝过程中更趋于规整排列, 从而使得纤维的比应力增大。这与XRD分析得到的纤维结晶度提高的实 验结果是相一致的。

3 结论

本研究利用超声波振动静电纺技术成功制备UHMWPE超细纤维, 探讨了超声波振动对纤维的直径、结晶度及力学性能的影响, 得出以下结论:

(1) 经过超声 波振动处 理10min, 质量分数 为1.75% 和2.0%的纺丝液所制备的纤维直径分别由2487nm和3577nm降低到772nm和1169nm。

(2) 2.0% UHMWPE纤维出现 典型的PE的 (110) 和 (200) 晶面, 结晶度由未振动时的1.04%提高到12.69%。