赵小龙;刘太奇
【摘 要】自然界的纤维素资源极其丰富,在环境污染及能源危机的今天,纤维素作为一种环保能源,愈来愈多的国内外研究者对其进行了深入研究.静电纺丝法简单,易操作,成为制备纳米纤维的有效途径；然而,由于纤维素的结构特殊,限制了纤维素的静电纺丝.竹纤维是从自然生长的竹子中提取出的纤维素,由于其具有优良的吸附性、吸水性、抗菌性等特点,许多研究人员对其加工及应用进行了深入研究,并取得了显著成就.本文介绍了静电纺丝技术及纤维素的静电纺丝研究进展,探讨了采用静电纺丝技术制备竹纤维的可行性.%Cellulose is extremely rich in natural resources.Today,environmental pollution and energy crisis have becoming severely,as a kind of green energy,it was more and more deeply researched at home and abroad.Electrospinning is simple,easy operation,and has gotten wildly research as a effective way,but the structure of cellulose is especial that limits the electrospinning of cellulose.Bamboo fiber is extracted from naturally grown bamboo cellulose.Due to its excellent adsorption,absorbent,antibacterial property,many researchers tried to develop the
application of bamboo fiber,and have made ?? remarkable achievements.Electrospinning method is simple,easily to operate,and has been widely used as an effective way of preparation of nanofibers.First,the paper introduced the technology and progress of electrospinning of native cellulose,and then did a brief presentation to the research progress of bamboo fiber.
【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2013(000)006
【总页数】4页(P113-116)
【关键词】纤维素;静电纺丝;溶剂;竹纤维
【作 者】赵小龙;刘太奇
【作者单位】北京石油化工学院环境材料研究中心,北京102617;北京化工大学材料科学与工程学院,北京100029;北京石油化工学院环境材料研究中心,北京102617
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ352
纤维素是一种在自然界存在的最丰富的可再生资源，蕴藏着巨大的商业价值。纤维素一般可分为植物和动物纤维素2大类。纤维素的聚合度高、分子取向度良好、化学稳定性强、生物降解性好，是一种重要能源[1]。纤维素分子中存在大量氢键，很难溶于常规溶剂， 很大程度上限制了其被广泛应用。近些年来，石油、煤炭等资源储量日渐减少，环境及能源问题已成为各国政府面临的棘手问题，纤维素及其衍生物的研究和应用越来越受到人们的重视。竹纤维具有优良的特性，从天然纤维素中脱颖而出。
用静电纺丝法制得的纤维直径一般为几十纳米到几微米，比用传统纺丝法制得的纤维直径小得多；同时，还具有高的比表面积和吸附性。静电纺丝法简单，易操作，成为制备纳米纤维的有效途径。目前，人们已经对静电纺丝技术制备纤维素及其衍生物的纳米纤维进行了试验和研究。大量试验证明，用合适的溶剂溶解纤维素，再采用静电纺丝技术，就可以制备出纤维素纤维。 1 静电纺丝的技术原理
早在1934年，美国人Formhals[2]就对静电纺丝简称电纺技术作了概述，并申请了专利。20世纪70年代，Taylor[3] 通过研究静电场中的细射流的现象，提出了“Taylor 圆锥”和临界电压Vc。近些年，纳米科技飞速发展，静电纺丝也备受关注，用该法制备出的纳米、亚微米级别的纤维比表面积大，而且力学性能优异，可以使用在生命、过滤、防护等领域。
静电纺丝装置如图1所示，它由电源、带有细小喷丝头的试样管和接收板3部分组成[4]。高电压下的聚合物溶液或熔体会在毛细管和接收板间产生与其表面张力方向相反的电场力，使带电荷的聚合物溶液或熔体在电场力及表面张力等力共同作用下运动。当电场力与高分子溶液或熔体的表面张力等力平衡时，带电的液滴会静止在毛细管的末端。随着电场力的增大，聚合物溶液在喷丝口处会形成“Taylor 圆锥”；当聚合物溶液所受的电场力超过某一临界值时，带电液滴就能从喷丝口喷出，形成射流；在向接收板运动过程中，溶液中溶剂挥发或是熔体冷却而固化；最后在接收板上收集到非织造结构的纤维。
图1 静电纺丝装置示意图
2 纤维素的静电纺丝
目前，已采用静电纺丝法将100多种天然和人工合成的高分子材料制成纳米纤维。 由于纤维素的高结晶度和氢键结构，使其不溶于一般溶剂；所以，采用静电纺丝制备其纳米纤维具有一定难度。随着对纤维素的广泛研究发现，采用合适的溶剂溶解纤维素后，可以对其进行静电纺丝。
目前，溶解纤维素的常规溶剂体系有N-甲基吗啉氧化物/水(NMMO/H2O)体系、氯化锂/N-二甲基乙酰胺(LiCl/DMAc)体系、氢氧化钠/尿素(NaOH/urea)体系以及离子液体等。
2.1.1 NMMO/H2O体系
NMMO 分子中的N-O 键容易与纤维素分子中的羟基形成强的氢键，破坏了纤维素分子间原有的氢键，从而将纤维素溶解。该体系中的含水量限制在15%以内，而且NMMO具有强的氧化性，需要在溶剂体系中加入一定比例的抗氧剂才能溶解纤维素。由于NMMO/H2O体系的溶剂可回收，目前，国内外许多纤维生产厂家都采用该体系生产Lyocell纤维。采用该体系溶解纤维素进行静电纺丝的过程中，由于溶剂难挥发，需要对纺丝液进行加热。
2.1.2 LiCl/DMAc体系
LiCl溶解在DMAc中形成了(DMAcLi) +，使Cl-带有强负电性，容易与纤维素分子形成氢键，很大程度上减少了纤维素分子间的氢键，进而溶解纤维素。该体系在室温下具有很好的稳定性，溶解纤维素前需先对纤维素进行活化处理，一般采取置换法和加热法活化纤维素。目前，普遍选用该体系溶解纤维素，测试纤维素的分子量分布。张慧慧等[5]采用该体系溶解纤维素，并通过GPC法测试了该纤维素的分子量分布。该体系溶解纤维素后，可以在室温下直接静电纺丝。LiCl的价格昂贵，溶剂回收困难，很大程度上限制了其在纤维制造行业的应用。
2.1.3 NaOH/urea体系
武汉大学张俐娜课题组[6]发现，采用该体系在低温下可以很好地溶解纤维素，并采用该溶剂体系溶解纤维素，成功地制备出纤维素膜。其机理是稀的NaOH 溶液可以形成溶剂分子集团，当其进入到纤维素片层间隙中时，破坏了纤维素分子间氢键，进而使纤维素溶解[7]。该体系较其他溶剂体系具有溶剂便宜而且无毒的优势，引起了众多纤维素研究者的关注。
2.1.4 离子液体
离子液体是一类由离子构成，在室温或临近室温下呈液态的物质，具有强极性、不挥发、不氧化、强溶解性和对化学试剂稳定等优良特性，是近年来兴起，并有望替代化学试剂的绿溶剂[8]。与其他纤维素溶剂体系相比，离子液体具有溶解时间短、溶解温度低、可回收的优点，所以国内外很多研究者采用其溶解纤维素并进行静电纺丝。
2.2 溶剂体系的应用实例
到目前为止，已有很多关于采用上述溶剂体系溶解纤维素，通过静电纺丝技术制备纤维素纤维的报道。
Kim[9]分别采用NMMO/H2O和LiCl/DMAc体系溶解棉絮，通过静电纺丝技术制备纤维素纤维。对于NMMO/H2O体系，溶解纤维素过程中需要严格控制含水量，纺丝中需要对纺丝液加热；对于LiCl/DMAc体系，纤维素在溶解前需要进行活化，可以室温下进行纺丝。
万和军等[10]采用LiCl/DMAc体系溶解棕棉纤维素，通过静电纺丝技术及冷冻甲醇/水凝固浴后期处理，成功制备出了形貌良好且黏附小的棕棉纤维。
Li等[11]采用LiCl/DMAc体系溶解棉纤维素，并且在静电纺丝过程中对样品管喷头和接收板之间进行加热，通过静电纺丝技术成功地制备出纤维素纤维，也探讨了纺丝电压、纺丝液浓度及流速对纤维形貌的影响。
Quan等[12]采用离子液体氯化1-丁基-3-甲基咪唑(BMIMCl)溶解纤维素进行静电纺丝，用水浴接收纤维，成功制备出了平均直径在500～800 nm之间的纤维素纤维。
Xu等[13]用离子液体氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑(AMIMCl)溶解纤维素，采用滚筒接收装置，通过静电纺丝技术制备出了纤维素纤维，并探讨了二甲基亚砜(DMSO)添加量对静电纺丝过程及纤维形貌的影响。
刘备备[14]分别采用NMMO/H2O、LiCl/DMAc和AMIMCl溶解细菌纤维素比较了3种溶剂体系溶解细菌纤维素的能力，并分别使用NMMO/H2O和AMIMCl溶解纤维素进行静电纺丝，制备出了细菌纤维素纤维。
