再生纤维素微球的高压静电法制备研究开题报告

1. 研究目的与意义

环境保护、经济的可持续发展，对水处理技术提出了更高的要求，寻求兼有高效、环保、经济且无二次污染的水处理技术是当前水处理领域的研究热点和前沿课题。

高聚物吸附已经广泛应用于水处理、化工、生物制药、食品和环保等领域，不同大小和形貌的微球可用作微存储器、微反应器、微分离器和微结构单元。尤其，天然高分子微球由于可以生物降解和生物相容，已经广泛应用于色谱、分离科学、可控制载体和贮藏体、生物医学支撑体、环境和催化剂基体、食品方面和医药工业等领域，其中各类纤维素微球的需求量最大。

纤维素作为地球上数量最丰富、最廉价的天然亲水性高聚物，具有生物相容性好、无毒、化学可修饰性和可降解再生等特点，是理想的吸附剂材料。直接制备的纤维素吸附剂一般以粉状或纤维状为主，孔结构不理想，水分散性差，难以在实际的废水处理中大规模使用。再生纤维素微球正好弥补了上述缺点，其优点是亲水性强，非特异性吸附低，水力学性能好，且孔度、粒度可控，比表面积大。使用其制备出的纤维素水处理剂会具有无毒、无污染、成本低廉、使用范围广、吸附速度快、吸附性能稳定、可重复使用等优点。具有良好的开发前景，不仅可以满足当前水处理材料需要，而且可以为纤维素的合理利用开辟新的途径，同时得到的水处理剂有望生物降解，符合当今以减量化、可利用、资源化为原则的循环经济和以低能耗、低污染为基础的低碳经济的发展方向。以往制作纤维素微球都是使用天然纤维素衍生物，在研究过程中常常使用到大量的有机溶剂，造成很大的环境污染。同时，采用纤维素衍生物制备微球则难以避免带有残留基团而影响性能。而直接使用天然纤维素作为制作纤维素微球的材料，可以避免或是大大减少以上问题的影响。而对于纤维素溶解体系的研究，研究者们研究提出了一些溶解体系：cs2/naoh体系、氨甲酸体系、胺氧化物体系、氯化锂/二甲基乙酰胺体系、铜铵溶液、naoh/尿素体系等。上述溶剂体系大都有价格昂贵、污染环境、难以实际生产、不能实现大规模生产等缺点，针对以上缺点最近张俐娜发明了新的溶解纤维素体系naoh/尿素，在低温下利用naoh/尿素溶解纤维素。naoh/尿素体系：用一定配比的碱/尿素或硫脲/水溶剂体系在低温下（-12℃--3℃）溶解纤维素得到纤维素溶液。此方法过程中不会产生有毒气体和物质，氢氧化钠和尿素成本比较低，可用于大规模实际生产中的绿色环保方法。

2. 国内外研究现状分析

近年来，高压静电纺丝作为一种制备纳米纤维的先进技术受到普遍关注。而纤维素和纤维素衍生物由于其优越的性质已应用于各个领域。运用高压静电纺丝技术对纤维素及其衍生物进行研究,开拓了新的研究领域和发展方向。高压静电纺丝法是一项简便、廉价和对环境无污染的纺丝技术。该技术最早在1934年由formhals[1]提出并申请了一系列专利,但直到1971年baumgarten[2]报道聚丙烯酸酯溶液利用静电场纺丝可以得到超细纤维,该技术才被人们重视。近十几年由于纳米技术的迅猛发展,对小尺度、高性能纤维的需求激发人们对高压静电纺丝技术及其应用进行深入的研究。通过高压静电纺丝制备的纤维在很多方面得到了应用,比如伤口愈合、组织工程、药物释放、生化传感器催化和杀虫剂等。高压静电装置由高压电源、溶液储存装置、喷射装置和接收装置4部分组成。高压电源一般采用最高输出电压在20100kv之间的直流高压静电发生器;聚合物溶液置于注射器中,同时在注射器中插入一金属电极;喷射装置为一个内径为0152mm的毛细管或注射器针头;接收装置为一网状接收屏,也可以根据需要选择不同的接收装置。高压静电纺丝工作过程简述如下:装有聚合物溶液的储液管置于电场中,阳极插入储液管的溶液中,阴极从高压静电场发生器导出。当没有外加电压时,由于储液管中的溶液受到重力的作用而缓慢沿储液管壁流淌,而在溶液与储液管壁间的黏附力和溶液本身所具有的黏度和表面张力的综合作用下,形成悬挂在储液管口的液滴。在外界其它条件一定的情况下,当电压超过某一临界值时,溶液中带电荷部分克服溶液的表面张力从溶液中喷出,这时储液管口的液滴变为锥形(被称为taylor锥),在储液管顶端,形成一股带电的喷射流。喷射流发生分裂,之后溶剂挥发,纤维固化,并以无序状排列于收集装置上,形成类似无纺布的纤维毡。通过改变接收装置,可以得到排列有序的或者单分散的纤维。

浙江大学高分子复合材料研究所胡巧玲博士在2008年研究过以壳聚糖为基质通过共混法引入四氧化三铁磁性颗粒，以硅胶为致孔剂，在热的naoh溶液中溶出硅胶致孔，采用高压静电法制备磁性壳聚糖微球，通过sem观察了微球的结构和形貌，并对微球结构和形貌的影响因素及其制备工艺进行了系统的研究，结果表明，高压静电法制备的磁性硅胶壳聚糖微球粒径可通过微量进样器的针头大小来控制，并且粒径分布均匀，实验重复性及可控性好；当以质量体积分数为5%的壳聚糖醋酸溶液(体积分数2%,ms:mcs=4:1),用8号针头进样时,制得直径约为600μm,孔洞分布均匀,孔径约为50μm的多孔磁性壳聚糖微球.由于磁性多孔壳聚糖微球中含有大量的活性羟基和氨基,因此显弱碱性,对酸性物质和金属离子的吸附作用很好,且可通过外加磁场进行有效分离.磁性多孔壳聚糖微球在生物分离及污水中的酸性染料处理方面具有潜在的应用价值.

上海理工大学动力工程学院高建成,李保国,丁志华,李凌云探索了将高压静电法用于制备蛋白药的可能性,选用牛血清白蛋白为芯材,海藻酸钙2壳聚糖为壁材进行了微胶囊化研究,并对芯材/壁材的比例、壳聚糖浓度及微胶囊释放情况进行了研究.结果表明,此方法制备的牛血清白蛋白微胶囊不但形状圆整、粒径分布均匀,而且有较高的包封率和载药量,是一种很好的制备蛋白类药物微胶囊的方法.

3. 研究的基本内容与计划

实验可以分为几大部分：

(1)使用碱/尿素/水溶剂体系冷冻纤维素，经过高速搅拌疏解，离心脱泡后，得到透明纤维素溶液。纤维素种类使用棉短绒溶解浆和微晶纤维素，比较两种纤维素的溶解难易。

(2)利用沉淀法制备纤维素微球：配置浓度为1%，2%，3%以及4%的纤维素溶液，采用内径分别为1.2mm，0.8mm，0.7mm的针管制备纤维素微球，比较不同条件下微球的形态大小。

4. 研究创新点

（1）项目的设计和实施中，从原料的选择、制备方法的确定，到结构设计控制，到吸附剂的脱附再生，整个过程中都贯彻绿色环保的理念，保证环境友好性。通过控制纤维素水溶液浓度、凝固液浓度、静电压、注射泵的进样速度和针头与凝固液液面之间的距离等参数对微球粒径和结构进行设计控制，实现微球粒径、结构和形态的可控。

（2）赋予天然纤维素微球智能响应功能，突破了传统水处理吸附剂制备和应用的局限，为目标污染物的去除提供了更简单、更高效和更环保的途径。