静电纺丝(以下记为ES)法最初的专利可追溯到1930年代Folmhals发表的有关醋酸纤维素电场纺丝的尝试。自1990年代后期纳米技术的繁盛期出现以来,ES纺丝作为纳米纤维工业生产的实用性被广泛关注。
ES纺丝法中,用于纺制微细纤维(纳米和亚微米级)的高分子化含物有许多种。其中包括合成和天然高分子化合物两大类。Huang等综述了有关由ES纺丝法得到的超细纤维材料科学及其用途开发的研究。
本文所谓与天然和生物有关的高分子化合物,除蛋白质、多糖和核酸外,还包括聚氨基酸、改性多糖。在这些高分子物的ES研究中,重点叙述了笔者进行的与合成聚氨基酸和天然多糖ES现象有关的研究。
1·与天然和生物有关的高分子物ES研究的意义
众所周知,大部分蛋白质、多糖和核酸在水溶液中都保持规则的立体结构,尤其是蛋白质立体结构的层次性已被明确地定义。作为天然蛋白质纤维典型代表的蚕丝和羊毛的力学特性及其纤维原料蛋白质的一次结构、二次结构、三次结构以及四次结构的相关性已被研究。有关合成聚氨酸的链结构及与及转变相关的研究,为天然蛋白质,二次结构形成机理的阐述提供了重要知识,也为纤维材料学上,天然蛋白质纤维内分子结构和力学特性的解释作出了重大贡献。
如上所述,蛋白质纤维溶解状态的多肽链一次结构、二次结构的转变和二次结构的相互作用是支配由溶液纺丝所得纤维的力学特性的重要因素之一。天然多糖,尤其是纤维和甲壳质都是一样,由糖苷结合的单糖连接方式以及多糖链间相互作用和形成的结晶都是影响纤维力学特性的因素。在纤维材料化学研究中,纺丝原液中高分子的立体结构与由这种状态纺丝所得的纤维力学特性之间关系是溶液纺丝技术的重要研究课题。假如将ES法作为传统溶液纺丝法的一种。在ES法的纤维材料化学方面就必须具备上述特性。许多合成高分子在其溶解状态下的呈较为无序的链结构和物理性的缠绕会影响纺丝原液的粘性系数。从这个现点出发,本文将进行有关ES纺丝机理研究。
2·合成聚氨基酸
科学家对聚氨酸的合成及其性质进行了广泛研究。在迄今为止合成聚氨酸中,弄清了引起聚-γ-苯甲基-L-谷聚酸(PBLG,图1)和聚-ε-苯酯基-L-赖氨酸(PZLL)的结构变化的溶剂条件及其机理,从而确立了物理性能的研究方法。例如,PBLG分子链在二氯甲烷(MC)中形成α-螺旋结构,如添加二氯醋酸或三氟醋酸(TFA)、则转变为依赖TFA浓度的不规则的卷曲结构。因为MS或TFA都是E法常用纺丝溶剂,所以在探讨聚氨基酸结构和ES法曳丝性、纤维形态和力学强度之间关系上它们都是理想的实验体系。
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