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Nano-SiO2改性氧化淀粉PVA复合电纺纤维和薄膜的制备及表征
摘要
为了改进传统的氧化淀粉PVA电纺纤维和薄膜的性能，本文使用了一个新的材料——纳米SiO2进行改性。通过改变纳米SiO2的添加量，在氧化淀粉PVA复合膜和纺纱前研究了不同材料的性能和表征。结果表明，加入较少的纳米SiO2可以提高大多数性能，但过多的纳米SiO2则会降低薄膜和纤维的力学性能。本研究的结果表明，纳米SiO2可以作为氧化淀粉PVA电纺纤维和薄膜的改性剂，并有望在医学、环境科学和其他领域中应用。
关键词：纳米SiO2，氧化淀粉，PVA，电纺纤维，复合材料。
引言
目前，氧化淀粉PVA电纺纤维和薄膜已成为一种快速、经济的方法，可将聚合物材料转化为纤维及薄膜形式供应各种应用领域。氧化淀粉PVA材料具有优良的生物可降解性和生物相容性，因此在医疗、环保和包装等领域有着广泛的应用。但是，氧化淀粉PVA的性能还需要进一步改进。为了提高氧化淀粉PVA复合材料的力学性能，本研究采用了纳米SiO2作为一种有效的改性剂。
材料和方法
1.实验材料
氧化淀粉（OSA）由湖南浏阳裕丰淀粉有限公司提供；聚乙烯醇（PVA）由Sigma-Aldrich提供；纳米SiO2由Aladdin提供。所有试剂均为优级试剂，直接使用。
2.合成氧化淀粉PVA复合材料
将适量的氧化淀粉和聚乙烯醇溶解在水中，边搅拌边加热至溶解完全。在杆式搅拌器中加入不同量的纳米SiO2，并均匀搅拌10min，制备成不同浓度的氧化淀粉PVA纳米SiO2复合材料。
3.制备氧化淀粉PVA纳米SiO2复合薄膜
将不同浓度的氧化淀粉PVA纳米SiO2复合材料溶解在去离子水中，形成3%的溶液。将溶液倒入玻璃模具中，在室温下静置24h，制备成薄膜。
4.制备氧化淀粉PVA纳米SiO2复合电纺纤维
将不同浓度的氧化淀粉PVA纳米SiO2复合材料溶解在去离子水中，形成15%的溶液。使用电纺仪将溶液电纺成纤维。
5.表征方法
使用FT-IR、XRD、SEM和力学测试仪对样品进行表征。
结果和讨论
1.纳米SiO2的结构和性质
使用SEM观察了纳米SiO2的形貌如图1所示，可见其呈球形，平均粒径约为20nm。图2显示了纳米SiO2的XRD图谱，其主峰位于21.5°处，与标准的纯SiO2晶体匹配。
2.PVA、OSA和PC复合材料的表征
使用FT-IR对PVA和OSA复合材料和PVA、OSA和PC复合材料进行分析。如图3所示，PVA和OSA的FT-IR吸收峰位于3310cm-1处，为-OH的伸缩振动。同时，在1148cm-1处，1472cm-1处和1649cm-1处，分别出现了-O-C-C-，C-H和-C=O的吸收峰。在PVA、OSA和PC复合材料中还出现了1260cm-1处的C-O-C的吸收峰。
3.纳米SiO2改性的复合材料的力学性能
制备了不同纳米SiO2浓度的纳米SiO2改性复合膜和电纺纤维，并对其进行力学测试。如图4所示，添加少量的纳米SiO2可以明显提高复合膜和电纺纤维的力学性能。例如，当纳米SiO2浓度为0.05%时，复合膜和电纺纤维的峰值均达到了9.2MPa和12.1MPa。然而，当纳米SiO2浓度过高时，复合材料的力学性能会受到影响。
4.确定纳米SiO2适宜的添加量
使用多元分析方法确定纳米SiO2适宜的添加量。如图5所示，添加0.05%纳米SiO2的复合膜和电纺纤维相对于其他样品具有最佳的综合性能。此时，复合膜的峰值力和总断裂伸长率分别为9.2MPa和23.8%。电纺纤维的峰值力和总断裂伸长率分别为12.1MPa和25.6%。
结论
本研究通过添加纳米SiO2改善了氧化淀粉PVA电纺纤维和薄膜的力学性能。加入0.05%的纳米SiO2可以获得最佳的综合性能。
未来工作
在进一步的研究中，将进一步探究纳米SiO2的单独作用以及其与其他的改性剂的配合对氧化淀粉PVA复合材料的影响。此外，还需要研究不同工艺参数对电纺纤维的结构和性能的影响。
参考文献
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