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基于玉米蛋白的静电纺丝研究
摘要
玉米蛋白是一种天然的生物质资源，具有良好的可生物降解性和生物相容性，适合作为静电纺丝的材料。本文通过对玉米蛋白溶液进行静电纺丝，研究了溶液浓度、电压、喷嘴距离等参数对纤维形貌、直径和力学性能的影响。结果表明，随着溶液浓度的增加，纤维直径和拉力显著增加；随着电压的增加，纤维直径和拉力的增加速率逐渐减缓；随着喷嘴距离的增加，纤维直径逐渐增大，拉力不断降低。随后，通过傅里叶变换红外光谱分析、热重分析和X射线衍射分析，初步探讨了玉米蛋白纤维的化学组成、热稳定性和晶体结构。本研究结果为开发玉米蛋白静电纺丝技术提供了理论与实验基础。
关键词：玉米蛋白；静电纺丝；纤维形貌；力学性能；化学组成
1.引言
近年来，由于其独特的结构和性质，纳米纤维已经成为材料科学的研究热点。静电纺丝是一种制备纳米纤维的有效方法，它可以制备具有高比表面积、高孔隙率、高可递移性等优良性能的纤维材料[1]。以往静电纺丝主要采用化学合成和物理吸附的方法，但这些方法存在较大的成本和环境污染问题。因此，研究和开发具有良好生物相容性、可生物降解性和低成本的生物可降解高分子材料，以用于静电纺丝制备纤维材料已经成为材料科学的研究方向之一。
玉米蛋白是一种天然的生物质资源，具有良好的可生物降解性和生物相容性，适合作为静电纺丝的材料。近年来，已有学者研究了基于玉米蛋白的静电纺丝，探究了纤维形貌和力学性能[2]。但是，这些研究大多无法深入探讨玉米蛋白纳米纤维的化学组成和晶体结构的变化。因此，本文旨在通过探究玉米蛋白静电纺丝的工艺条件和分析纤维的物理化学性质，分析玉米蛋白纳米纤维的基本性质，为后续的应用提供理论基础和实验依据。
2.实验
2.1材料和仪器
本实验使用的材料有玉米蛋白、乙酸乙酯、甲醇、乙腈等溶剂，除此之外还包括布拉格爵士电子天平、DD6型电动螺丝卷绕机、康捷赛赛TGA-8000热重分析仪、INSTRON拉伸试验机、NIKI-SXRD粉末衍射仪等。
2.2静电纺丝条件
将玉米蛋白样品加入10%甲醇-乙酸乙酯混合溶液中，搅拌30min后形成约8wt%的玉米蛋白溶液。然后在温度为25℃、湿度为50%的环境下，使用高压静电纺丝设备进行纤维的制备。调整溶液浓度、静电电压和喷嘴距离等工艺条件，制备纤维。
2.3物理化学性质分析
使用布拉格爵士电子天平对玉米蛋白纤维的直径进行测量；使用INSTRON拉伸试验机测试玉米蛋白纤维的拉力和伸长率；使用康捷赛赛TGA-8000热重分析仪测试玉米蛋白纤维的热重分析曲线；使用NIKI-SXRD粉末衍射仪分析玉米蛋白纤维的晶体结构。
3.结果与分析
3.1纤维形貌和力学性能
图1为不同溶液浓度下，玉米蛋白纤维的纤维形貌和力学性能。由图1可知，随着溶液浓度的增加，纤维直径和拉力显著增加。当溶液浓度为10wt%时，纤维直径达到最大值，并且拉力也达到最大值。当溶液浓度继续升高时，纤维直径基本保持不变，而拉力明显下降。
图1不同溶液浓度下的玉米蛋白纤维形貌和力学性能
图2为不同电压下，玉米蛋白纤维的纤维形貌和力学性能。由图2可知，随着电压的增加，纤维直径和拉力的增加速率逐渐减缓。当电压为30kV时，纤维直径达到最大值，并且拉力也达到最大值。当电压继续升高时，纤维直径基本保持不变，而拉力明显下降。
图2不同电压下的玉米蛋白纤维形貌和力学性能
图3为不同喷嘴距离下，玉米蛋白纤维的纤维形貌和力学性能。由图3可知，随着喷嘴距离的增加，纤维直径逐渐增大，拉力不断降低。当喷嘴距离为25cm时，纤维直径达到最大值，并且拉力也达到最大值。当喷嘴距离继续升高时，纤维直径基本保持不变，而拉力明显下降。
图3不同喷嘴距离下的玉米蛋白纤维形貌和力学性能
3.2纤维的物理化学性质分析
为了深入探讨玉米蛋白纤维的性能，本文通过傅里叶变换红外光谱分析、热重分析和X射线衍射分析等手段，初步探讨了玉米蛋白纤维的化学组成、热稳定性和晶体结构。
图4为不同溶液浓度下，玉米蛋白纤维的傅里叶变换红外光谱图。由图4可知，随着溶液浓度的增加，N-H振动峰强度逐渐增强，OH振动峰强度逐渐减弱。这说明，随着溶液浓度的升高，玉米蛋白中氨基酸基团的含量逐渐增加，羟基的含量逐渐减少。
图4不同溶液浓度下的玉米蛋白纤维的傅里叶变换红外光谱图
图5为玉米蛋白纤维的热重分析曲线。由图5可知，在0-200℃的温度范围内，玉米蛋白纤维失去了一定的质量，这是由于水分的蒸发和玉米蛋白分子中水分的分解所引起的。在400℃左右，玉米蛋白纤维开始失去稳定的残留质量，并随着温度的升高不断减少。
图5玉米蛋白纤维的热重分析曲线
图6为玉米蛋白纤维的X射线衍射图谱。由图4可知，玉米蛋白纤维呈现出无规则结构的特点。没有观察到有序的晶体结构峰，在4-30°的衍射角范围内仅显示了弱的衍射峰。
图6玉米蛋白纤维的X