Investigation of native and cationic starch insertion into fibre formation via electrospinning technique

Autor: Šateikė, Jurgita
Přispěvatelé: Milašius, Rimvydas
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Popis: Nanotechnology is no longer a novelty in the modern context. Electrospinning is a versatile and effective nano-micro fibre formation technique, which produces nanofibres with excellent mechanical properties, large surface area and high porosity. Polysaccharides as biopolymers are of great interest to scientists and industry representatives for the possibility to change synthetic polymers to the native polymers. These interests in polysaccharides-based polymers are influenced by positive properties such as biocompatibility, biodegradability, nontoxicity and economic price. The formed fibres with polysaccharides are as well promising due to their wide application possibilities. The excellent properties make them very suitable in the biomedical field. It can be stated that from all the polysaccharides, starch is one of the most abundant and lowest price polysaccharides. On the basis of various research results provided in different literature sources, it can be stated that the fibre formation of pure starch is possible but in general difficult to electrospun. In order to improve the electrospinning process of the starch as polymer, it can be modified, i.e., its chemical structure is modified, which allows the formation of the fibre with this polysaccharide. Starch can be blended with synthetic polymers that have excellent spinning properties as well. Starch was the main objective of this dissertation. In order to achieve the improvement of electrospinnability and formed nano-micro size fibres, starch was cationically modified and mixed with synthetic polymer. In this work the fibre web was electrospun by using the NanospiderTM (Germany) electrospinning equipment. The fibres that were manufactured in this equipment used two different kinds of rotating electrode: cylindrical and electrode with the tines. The rotating electrode is partially immersed in a tray with polymer solution, towards the upper electrode, which is attached to the collection part. Scanning Electron Microscopy (SEM) with SEM-FEI Quanta 200 (The Netherlands) was used to observe and identify the morphology and structure of nonwoven material from nano-microfibres. A small section of the nano-microfibre mat was used in SEM with the use to determine the morphology of nano-microfibres. Lucia 5.0 software was utilized to measure the diameter of nano-microfibres and calculate the average diameters of the observed fibres. In this doctoral dissertation, fibres from mixtures of poly(vinyl alcohol) PVA and natural starch solutions were formed by electrospinning method, when the potato starch content in PVA spinning solution (1, 3 and 5%). The influence of a small amount of ethanol (1, 3, 5 %) on the process of electric spinning and on the structure and morphology of the formed fibres was also analyzed. A series of tests was performed with PVA and cationic starch KOEK at a weight ratio of 75/25, 50/50 and 35/65 in the spinning solution. The influence of different concentrations of the formed fibres and the influence of low ethanol content (3, 6 and 9 %) on the morphology of the fibres structure and the electrospinning process were analyzed. The dissertation proves that using electrospinning method, it is possible to form fibres from PVA and potato starch spinning solutions. The influence of ethanol on the electric spinning process and the morphology and structure of the formed filaments was investigated. The most suitable concentration of spinning solutions from PVA/KOEK was determined when the mass ratio was 75/25 and the most suitable rotating electrode type for the electrospinning process was selected and determined. In this work it was proved that it is possible to form fibres from PVA solution with 50 % and 65 % KOEK.
Nanotechnologijos šių dienų kontekste jau nėra naujovė. Šios technologijos yra labai įvairios, pradedant nuo naujų galimybių taikymo įprastiems gaminiams iki visiškai naujų medžiagų kūrimo, kurių dydis būtų nanoskalėje. Tačiau nanotechnologijos taip pat kelia daug klausimų: kaip diegiant naujas technologijas išspręsti nanomedžiagų toksiškumo problemas, koks poveikis aplinkai ir pasaulio ekonomikai. Polisacharidai kelia didelį mokslininkų ir įvairių pramonės sričių specialistų susidomėjimą dėl galimybės sintetinius polimerus pakeisti gamtiniais polimerais. Šį susidomėjimą lemia polisacharidų teigiamos savybės, tokios kaip: biologinis skaidumas, biologinis suderinamumas, netoksiškumas bei maža polimerų kaina. Suformuotos gijos su gamtiniais polimerais yra perspektyvios ir dėl plataus pritaikymo spektro, ypač biomedicinos srityje. Siekiant pagerinti krakmolo verpimo galimybes, šis gali būti modifikuojamas, t. y. pakeičiama jo cheminė struktūra, kuri leidžia suformuoti gijinę dangą iš šio polisacharido. Gamtinis krakmolas gali būti modifikuojamas cheminiais ir fizikiniais metodais. Be to, šis polisacharidas gali būti maišomas kartu su sintetiniais polimerais, pagerinančiais gamtinio krakmolo ar jo darinių verplumo galimybes. Disertacijos tyrimų objektu buvo pasirinktas krakmolas – gamtinis polisacharidas. Šis gamtinis polimeras buvo modifikuotas, gautas vandenyje tirpus polimeras. Šiame darbe gijinė danga buvo formuojama naudojant elektrinio verpimo įrenginį „NanospiderTM“ („Elmarco“, Čekija), kuris yra KTU Gamybos inžinerijos katedroje. Šis nano-mikropluošto formavimo metodas nuo kitų skiriasi tuo, kad gijos yra formuojamos nuo apačioje pusiau panardinto besisukančio elektrodo su verpimo tirpalu link viršutinio elektrodo, įtvirtinto surinkimo plokštelėje, kurį dengia pagrindo medžiaga. Ši pagrindo medžiaga elektrinio verpimo metu yra padengiama gijų sluoksniu. Gijų formavimo metu tarp šių dviejų elektrodų yra sukuriama elektros srovė. Šiame darbe taip pat buvo analizuojama elektrinio verpimo skirtingų sukamųjų elektrodų ir tirpalų koncentracijos įtaka formuojamai gijinei dangai. Gijų ant neaustinės medžiagos morfologijai ir struktūrai nustatyti bei analizei atlikti buvo naudojamas skenuojantis elektroninis mikroskopas „SEM-FEI Quanta 200“ (Nyderlandai), esantis KTU Medžiagų mokslo institute. Gijų skersmeniui išmatuoti ir vidutiniam gijų skersmeniui apskaičiuoti buvo naudojama programinė įranga „Lucia 5.0“, kurios tikslumas ± 0,01 nm. Šioje daktaro disertacijoje elektrinio verpimo būdu buvo formuojamos gijos iš PVA ir gamtinio krakmolo tirpalų mišinių, kai bulvių krakmolo kiekis PVA verpimo tirpale (1, 3 ir 5 %). Taip pat analizuota ir mažo etanolio kiekio (1, 3, 5 %) įtaka elektrinio verpimo procesui bei suformuotų gijų struktūrai bei morfologijai. Atlikta bandymų serija su PVA ir katijoniniu krakmolu KOEK, kai masės santykis verpimo tirpale 75/25, 50/50 ir 35/65. Analizuota skirtingų koncentracijų įtaka formuojamai gijinei dangai, bei mažo etanolio kiekio (3, 6 ir 9 %) įtaka gijinės dangos morfologijai struktūrai ir elektrinio verpimo procesui. Disertacijoje įrodoma, kad galima suformuoti gijas iš PVA tirpalo su 50 % ir 65 % KOEK. Analizuojant literatūros šaltinius nebuvo rasta tyrimų, kurių metu gijos būtų formuojamos iš PVA tirpalų su daugiau nei 25 % krakmolo ar jo darinių naudojant elektrinio verpimo įrenginį su besisukančiu elektrodu. Visi bandymai formuoti gijinį pluoštą su krakmolu ar jo dariniu buvo atlikti naudojant purkštukinį elektrinio verpimo metodą ar šį metodą modifikuojant į vadinamąjį šlapiąjį elektrinį verpimą. Šiame darbe gijos buvo formuojamos su besisukančiu elektrodu, taip pat analizuojama ir skirtingų sukamųjų elektrodų įtaka formuojamai gijinei dangai.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: