酪蛋白/聚乙烯醇納米纖維膜制備與性能研究

張思遠，高曉平，胡海娜，楊博琛，康 樂

(內蒙古工業大學，內蒙古 呼和浩特 010081)

酪蛋白含有人體必需的8種氨基酸，具有“礦物質載體”的美譽，是天然的大分子，富含營養物質，具有促進蛋白質吸收等多種優異特性；在組織工程、醫用材料等多個領域具有廣泛應用[1-3]。

納米纖維因其比表面積大、孔隙率高等優異性能受到了相關研究者的廣泛關注。付文麗等[4-6]研究表明靜電紡絲技術設備簡單、操作簡便，可用于制備納米纖維膜。靜電紡絲過程中聚合物溶液在高壓靜電場力的牽引作用下，拉伸形成射流，制備出直徑在幾十納米到幾微米之間的納米纖維。朱敏聞等[7-9]通過靜電紡絲技術制備出膠原蛋白等蛋白納米纖維膜，可應用于生物醫用、空氣過濾及防護、催化、能源、光電、食品工程、化妝品等領域。

XIE等[10]指出酪蛋白因其呈球狀結構無法單獨通過靜電紡絲技術制成納米纖維膜，需要加入聚乙烯醇或聚氧化乙烯等原料助紡。PATNI等[11-13]以酪蛋白為原料通過靜電紡絲技術制備納米纖維膜，基于酪蛋白多氨基酸特點，紡制出具有良好生物相容性的纖維膜。上述研究均通過固定紡絲電壓與接收距離，調節酪蛋白與助紡溶質質量分數配比探究其對纖維膜性能的影響。目前尚未存在固定助紡溶質質量分數下，探究酪蛋白質量分數對纖維膜成膜影響的研究，也無探究紡絲電壓與接收距離參數對纖維膜影響的研究。

本文以酪蛋白和聚乙烯醇混合物為原料，設計正交試驗，運用靜電紡絲技術，紡制納米蛋白纖維膜。探究固定聚乙烯醇、酪蛋白質量分數、紡絲電壓和接收距離等參數對納米纖維膜性能的影響。應用透射電鏡、透氣性測試、傅里葉紅外光譜、X射線衍射、比表面積和孔隙率測試等手段表征分析纖維膜微觀結構、透氣性、成膜性及穩定性，以期拓展納米蛋白纖維膜方向的研究內容。

1 試驗部分

1.1 材 料

試驗所用酪蛋白通過等電點沉淀法提取蒙牛袋裝純牛奶所得，聚乙烯醇(PVA)1799型(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，三乙醇胺(AR98%)(上海麥克林生化科技有限公司)。

1.2 紡絲液制備

酪蛋白自身的球形結構和分子內部氫鍵阻止了酪蛋白分子在電場中運動，因此純酪蛋白無法通過靜電紡絲成膜，需要加入PVA助劑伴紡成膜。由預試驗得出，PVA質量分數過高或過低均會使纖維膜成膜性變差。因此本試驗選用質量分數為7%的聚乙烯醇作為助紡溶質，將酪蛋白與7%PVA共混溶解于5%三乙酚胺水溶劑中，確保應用靜電紡技術成功紡制納米纖維膜。在85 ℃水浴環境下磁力攪拌4 h，獲得均勻溶液，隔夜脫氣制備為靜電紡絲液。

1.3 納米纖維膜制備

以配制好的酪蛋白/PVA紡絲液為原料，應用靜電紡絲技術紡制納米纖維膜。在實際紡絲過程中，紡絲液質量分數、紡絲電壓和接收距離為纖維膜成形主要影響因素，其余因素對成膜性影響較小。基于上述原因以酪蛋白質量分數、紡絲電壓和接收距離(紡絲針頭至接收滾筒距離)為影響因素，探究其變化對纖維膜性能的影響。

當酪蛋白質量分數為2%時，無法形成纖維膜；酪蛋白質量分數為3%和5%時幾乎無紡絲液滴落，經2 h紡絲后可形成良好可拆卸纖維膜，原料浪費較少；當酪蛋白質量分數為7%時有紡絲液滴落，經2 h紡絲后可形成不可拆卸纖維膜，原料浪費較多；當酪蛋白質量分數達到8%時，紡絲液大量滴落，浪費嚴重且極難形成纖維膜。因此選用3%、5%和7%作為酪蛋白質量分數變化值。

電壓低于20 kV時，紡絲液無法良好牽伸形成纖維膜；電壓高于27 kV時，高電壓會擊穿紡絲液對儀器形成高壓電擊從而破壞試驗儀器，因此選用23、25、27 kV作為電壓變化值。

當接收距離超過15 cm時，紡絲液大量滴落，無法被滾筒接收；接收距離小于9 cm時，紡絲液不能有效牽伸，破壞微觀高比表面積結構，因此選用9、12、15 cm作為接收距離變化值。

基于上述所得參數設計3因素3水平正交試驗，得因子水平參數表，見表1。在室溫下依據表中參數紡制納米纖維膜，紡絲時間為2 h，得表2正交試驗參數表。

表2 正交試驗參數表Tab.2 Parameters of orthogonal experiment

2 測試與表征

2.1 成纖狀況及纖維形態表征

應用FEG-QUANTA-650環境掃描電鏡儀(美國FEI公司)分析紡絲工藝對纖維膜成膜性及其微觀纖維形態的影響。在電壓為12 kV，放大倍數分別為1 000和16 000倍試驗條件下觀察酪蛋白/PVA電紡纖維膜形態結構，分析成纖狀況。同時計算纖維平均直徑、標準差和直徑不勻率。

2.2 透氣性能測試

基于GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，應用YG(B)461E織物透氣測試儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)測試纖維膜透氣性。

2.3 傅里葉紅外光譜(FTIR)測試

應用IRTrancer-100傅里葉紅外測試儀(日本SHIMADZU CORPORATION公司)檢測4 000～800 cm-1范圍內酪蛋白質量分數分別為3%、5%和7%時制備的納米纖維膜的傅里葉紅外光譜圖。分析酪蛋白質量分數變化對纖維膜內部交聯情況及基團影響。

2.4 X射線衍射(XRD)測試

應用D/MAX-2500/PC X射線衍射儀(日本RIGAKO CORPORATION公司)檢測在40 kV、30 mA，角度區間為5°～40°(2θ)之間，步長為0.02°，計數時間為3 (°)/min條件下，酪蛋白質量分數分別為3%、5%和7%時制備的納米纖維膜的X射線衍射圖。分析酪蛋白質量分數變化對晶體結晶度及晶胞大小的影響。

2.5 比表面積和孔徑(BET)測試

應用QUADRASORB-SI比表面積和孔徑分析儀(美國Quantachrome公司)分析在100℃下將酪蛋白質量分數分別為3%、5%和7%時制備的納米纖維膜脫氣24 h后，檢測其在氮氣吸附和解吸等溫線77 K條件下的吸附和解吸結果，分析酪蛋白質量分數變化對纖維膜孔徑分布及比表面積的影響。

3 結果和討論

3.1 成纖狀況及纖維形態分析

不同酪蛋白質量分數紡絲液紡制的納米纖維膜微觀結構如圖1所示。由圖1示出，隨酪蛋白質量分數升高，未成纖大晶粒數量逐步變多，整體有序性與成纖性逐漸變差，當酪蛋白質量分數為3%和5%時，變化不明顯，當酪蛋白質量分數為7%時，纖維膜變得無序且多晶粒。

圖1 不同酪蛋白質量分數納米纖維膜微觀結構圖(×1 000)Fig.1 Microstructure of nanofiber membranes spun with different casein mass fraction spinning solution

隨酪蛋白質量分數升高，酪蛋白不易成膜特性隨之加劇，使液滴電紡能力下降。正交試驗納米纖維膜微觀結構如圖2所示。隨酪蛋白質量分數升高，纖維所含數量有所降低但整體良好。當酪蛋白質量分數為3%和5%(試驗1#～6#)時，纖維直徑變異系數不明顯，而在酪蛋白質量分數為7%(試驗7#、8#、9#)時，同時出現217 nm和994 nm直徑纖維，變異系數明顯。

同因酪蛋白自身不易成膜特性，隨酪蛋白質量分數升高，成纖不勻性隨之增大。結合表3不同質量分數的酪蛋白紡絲液紡制納米纖維膜纖維直徑數據可知，纖維直徑不勻性隨酪蛋白質量分數升高而逐漸升高，當酪蛋白質量分數為7%(試驗7#、8#、9#)時，不勻性達到50%。

當酪蛋白質量分數為3%(試驗1#、2#、3#)時，隨接收距離的增大，酪蛋白不易成膜特性隨之加劇，其與隨紡絲電壓的提升可在一定程度上促進纖維成纖共同作用，產生隨紡絲電壓與距離的升高，纖維直徑先變小后變大，標準差逐步變大，CV值先變大后變小的現象。其中紡絲電壓為23 kV，接收距離為9 cm時(試驗1#)紡制的納米纖維膜具備良好纖維直徑(457.06 nm)，最低CV值(21.77%)與標準差(99.52 nm)為該質量分數下最優參數。

圖2 正交試驗納米纖維膜微觀結構圖(×16 000)Fig.2 Microstructure diagram of nanofiber membrane by orthogonal experiment

表3 納米纖維膜纖維直徑數據表Tab.3 Nanofiber membrane fiber diameter data

接收距離與紡絲電壓同樣對成膜造成影響。當酪蛋白質量分數為5%(試驗4#、5#、6#)時，隨酪蛋白質量分數的升高，紡絲液需在25 kV紡絲電壓以上，才能對紡絲液充分牽伸進而紡絲出良好纖維膜，因此出現隨紡絲電壓升高，纖維直徑平均值、標準差和CV值均下降的趨勢。其中紡絲電壓為27 kV，接收距離為9 cm時(試驗6#)紡制的納米纖維膜具備最低纖維直徑(507.20 nm)，CV值(24.38%)與標準差(123,66 nm)為該質量分數下最優參數。

當酪蛋白質量分數為7%(試驗7#、8#、9#)時，因酪蛋白質量分數升高造成不易成膜特性加劇，造成其各參數纖維膜均無法良好成形的結果。同時因隨紡絲電壓升高與距離增加，紡絲過程會變得相較穩定，雖仍無法良好成形但可以形成更多粗纖；產生隨參數變化纖維直徑平均值與標準差呈現上升趨勢，CV值呈現先上升后下降趨勢。

基于上述分析可知，酪蛋白質量分數升高，產生的不易成膜特性嚴重影響纖維膜成膜性、纖維直徑與CV值，當酪蛋白質量分數為3%與5%時成膜均良好，含大量纖維且CV值較低；當酪蛋白質量分數為7%時成膜性差，纖維含量少且CV值高。紡絲電壓與接收距離同樣對纖維膜產生重要影響，紡絲電壓與接收距離適宜才能令紡絲液充分牽伸同時保證成膜性良好，紡絲出良好纖維膜。

3.2 透氣性能分析

在相同紡絲時間下，隨酪蛋白質量分數升高，纖維膜不易成膜特性逐步增大，纖維膜致密性逐步變差，而納米纖維膜成膜越好，纖維堆疊越密致，透氣量越小。如圖3透氣數據圖所示，納米纖維膜透氣性能隨酪蛋白質量分數升高與堆疊致密性減弱而逐漸增大。

基于上述分析結合圖2正交試驗納米纖維膜微觀結構圖與圖3透氣數據圖可知，纖維膜透氣性與纖維膜成纖狀況及纖維形態結構有緊密關聯，纖維平均直徑越小，細纖維越多，纖維膜堆疊越致密，纖維膜透氣量越小。隨酪蛋白質量分數的升高，纖維膜透氣量增大。

圖3 透氣數據圖Fig.3 Air permeability data diagram

3.3 傅里葉紅外光譜(FTIR)分析

當紡絲液中酪蛋白質量分數分別為3%，5%與7%時，紡制的納米纖維膜FTIR光譜圖如圖4所示。由圖可知，不同酪蛋白質量分數納米纖維膜的傅里葉圖整體基本相似。因纖維膜中均存在酪蛋白且纖維膜中酪蛋白隨紡絲液中酪蛋白質量分數升高而增多，光譜圖在1 640與1 540 cm-1處均表征出—CONH—(酰胺)特征吸收帶，隨酪蛋白質量分數升高，酰胺吸收峰增大且變陡。因酪蛋白和PVA通過氫鍵交聯，隨酪蛋白增多，氫鍵交聯增多，產生游離羥基與分子間氫鍵隨之增多，造成不飽和烴基與飽和烴基數量差異減少，致使光譜圖在3 600～3 200 cm-1處均顯示游離羥基及氫鍵吸收峰且隨酪蛋白質量分數升高逐漸向低波數方向移動并逐漸展寬減緩。

圖4 不同酪蛋白質量分數纖維膜FTIR光譜圖Fig.4 FTIR spectra of fiber membranes with different casein concentrations

基于上述分析可知，隨紡絲液酪蛋白質量分數升高，纖維膜酪蛋白含量增多，酪蛋白和PVA通過氫鍵交聯增多，微觀結合更緊密。

3.4 X射線衍射(XRD)分析

當紡絲液中酪蛋白質量分數分別為3%、5%與7%時，紡制的納米纖維膜X射線衍射圖如圖5所示。由圖5可知，不同酪蛋白質量分數納米纖維膜的X射線衍射圖整體基本相似。隨著酪蛋白質量分數的升高，PVA與酪蛋白氫鍵結合增多且更緊密，PVA為主體的晶粒數量逐漸減小，酪蛋白為主體的晶粒數量逐漸增多。如表4不同酪蛋白質量分數纖維膜X射線數據表所示，隨著紡絲液中酪蛋白含量增加，主峰峰值角逐漸增大且峰線整體趨勢逐漸減緩、展寬。次峰峰值角逐漸減小且峰線整體趨勢逐漸尖銳并在7%酪蛋白質量分數時次峰峰值高于19.32°處主峰峰值。因PVA與酪蛋白氫鍵結合時會破壞原有PVA聚合度，使整體聚合度降低被分裂形成更小晶胞，產生隨酪蛋白質量分數升高結晶度和晶粒尺寸隨之減小的結果。

圖5 不同酪蛋白質量分數纖維膜X射線衍射圖Fig.5 X-ray of fiber films with different casein mass fraction

表4 不同酪蛋白質量分數纖維膜X射線衍射數據表Tab.4 X-ray date of fiber films with different casein mass fraction

基于上述X射線衍射分析結合傅里葉紅外光譜分析可知，PVA與酪蛋白氫鍵結合越緊密。同時因酪蛋白與PVA的氫鍵結合將破壞PVA原有聚合結構，隨酪蛋白質量分數升高，晶體結晶度會隨之降低，晶胞尺寸減小，晶體微觀穩定性下降。

3.5 比表面積和孔徑(BET)分析

當紡絲液中酪蛋白質量分數分別為3%、5%與7%時，紡制的納米纖維膜吸附-解吸等溫線如圖6所示。由圖可知，不同酪蛋白質量分數納米纖維膜的吸附-解吸等溫線整體基本相似，均為V型等溫線，滯后環均為H4型滯后環，這表明所制備納米纖維膜均為介孔結構，具有良好的孔隙率與比表面積，孔徑均為介孔級孔徑。結合圖7不同酪蛋白質量分數纖維膜孔徑分布圖可知，當酪蛋白質量分數為3%與5%時，纖維膜基本均為3.75 nm左右小直徑孔隙，解吸過程較為完全，吸附-解吸等溫線為狹長狀。當酪蛋白質量分數為7%時，纖維膜在7.67 nm處出現了大量大直徑孔隙，解吸過程并不完全，吸附-解吸等溫線為展開狀，產生脫吸附后滯性。

圖6 不同酪蛋白質量分數纖維膜吸附-解吸等溫線圖Fig.6 Adsorption-desorption isotherms of fiber membranes with different casein mass fraction

圖7 不同酪蛋白質量分數纖維膜孔體積分布圖Fig.7 Pore size distribution of fiber membrane at different casein mass fraction

當紡絲液中酪蛋白質量分數分別為3%、5%與7%時，紡制的不同酪蛋白質量分數纖維膜比表面積和孔徑數據如表5所示。因孔數量越多、孔徑直徑越大，比表面積和孔體積越大，呈現隨著酪蛋白質量分數增大，比表面積、孔體積和孔徑直徑均呈增大趨勢。

表5 不同酪蛋白質量分數纖維膜比表面積和孔徑數據表Tab.5 Data of specific surface area and pore size of fiber membranes with different casein mass fraction

當酪蛋白質量分數為3%時，制備的納米纖維、孔徑直徑、比表面積和孔體積均最小。當酪蛋白質量分數為5%時，孔體積和比表面積大幅升高，但孔徑直徑幾乎不變，可知孔徑數量得到大幅提升。當酪蛋白質量分數為7%時，制備的納米纖維膜孔數量、孔徑直徑、比表面積和孔體積均最大。

基于上述分析可知，紡制的納米纖維膜均具備良好介孔結構。酪蛋白質量分數為5%時制備的納米纖維膜在充分提高孔數量，比表面積大小和孔體積的情況下仍保持孔徑整體大小及穩定性不變，是具有最良好的微觀孔徑結構的纖維膜。

4 結 論

以酪蛋白和聚乙烯醇(PVA)為原料，通過靜電紡絲技術制備紡絲液紡制納米纖維膜，利用透射電鏡、透氣性測試、傅里葉紅外光譜、X射線衍射、比表面積和孔隙率表征手段對纖維膜性能進行表征，分析酪蛋白質量分數，接收距離和紡絲電壓3因素變化對纖維膜成膜性、微觀結構等性能影響。得到如下結論：

①在固定PVA質量分數為7%情況下，酪蛋白質量分數為3%與5%時可形成良好納米纖維膜，酪蛋白質量分數為7%時纖維膜成膜性較差。

②纖維膜透氣性與纖維膜微觀結構與成膜性有主要關聯，平均纖維直徑越小，纖維膜越致密，纖維膜透氣量更小。

③酪蛋白和PVA通過氫鍵交聯結合，隨酪蛋白質量分數升高，氫鍵交聯增多，微觀結合更緊密，結晶度隨之降低，晶胞尺寸減小，晶體穩定性下降。

④各酪蛋白質量分數下制備納米纖維膜均為介孔結構，具備良好孔隙率與較高比表面積。其中酪蛋白質量分數為5%下制備的納米纖維膜具有最好微觀孔徑結構。

⑤當PVA質量分數為7%，酪蛋白質量分數為5%時制備的納米纖維膜在具備大比表面積與孔體積的基礎上，孔隙直徑小，具備最好的傳導結構。酪蛋白與PVA良好氫鍵結合，結晶度較高為34.26%，晶粒尺寸較小為33 nm，結構穩定。酪蛋白質量分數為5%時的最優參數為：紡絲電壓27 kV,接收距離9 cm;紡制的納米纖維膜直徑為507.20 nm,CV值為24.38%，標準差為123.66。