殼聚糖纖維性能的測(cè)試與分析

王夕雯 靳向煜 柯勤飛

(東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

殼聚糖纖維性能的測(cè)試與分析

王夕雯 靳向煜 柯勤飛

(東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

通過(guò)殼聚糖纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能的測(cè)試，并與粘膠纖維和聚酯纖維的相關(guān)性能進(jìn)行比較，分析了殼聚糖纖維的特性對(duì)其梳理成網(wǎng)和水刺加工過(guò)程的影響，可為研制殼聚糖纖維水刺非織造材料提供參考。

殼聚糖纖維，水刺非織造材料，性能測(cè)試

殼聚糖纖維是以殼聚糖為主要原料，溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲?，配制成一定濃度的紡絲原液，再經(jīng)噴絲、凝固成形、拉伸等工藝制得的具有一定強(qiáng)度的高分子功能性材料。甲殼素首先是由法國(guó)研究自然科學(xué)史的BraConnot教授于1811年在蘑菇中發(fā)現(xiàn)的［1］，1823年另一位法國(guó)科學(xué)家Odier從甲殼類(lèi)昆蟲(chóng)的翅鞘中分離出同樣的物質(zhì)，并命名為“Chitin”;1859年法國(guó)科學(xué)家Rouget將甲殼素用濃堿煮沸加熱處理，得到了脫乙?；讱に?，稱(chēng)為殼聚糖(Chitosan)［1］。我國(guó)對(duì)甲殼素/殼聚糖的開(kāi)發(fā)和研究起步較晚，從20世紀(jì)80年代才開(kāi)始生產(chǎn)殼聚糖。目前研發(fā)人員已意識(shí)到殼聚糖具有優(yōu)異的物化性質(zhì)、生物相容性和生理活性，開(kāi)始了殼聚糖的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，高附加值和高技術(shù)含量的殼聚糖產(chǎn)品已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。

以殼聚糖纖維為原料，采用水刺加固工藝制成的水刺非織造材料具有很好的透氣性和較高的吸濕性，其產(chǎn)品不僅具有殼聚糖纖維本身的生物醫(yī)學(xué)特點(diǎn)，而且兼有柔軟、衛(wèi)生、無(wú)毛羽和生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。殼聚糖纖維水刺非織造材料可廣泛應(yīng)用于人造皮膚、創(chuàng)面保護(hù)覆蓋材料，還可制成美容面膜、食品蓋布和包裝材料等。本文對(duì)殼聚糖纖維、粘膠纖維和聚酯纖維的基本性能進(jìn)行測(cè)試和分析，為殼聚糖纖維水刺非織造材料工藝技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

(1)殼聚糖纖維，1.33 dtex×38 mm，由山東華興海慈新材料有限公司提供;

(2)粘膠纖維，1.6 dtex×38 mm，由江蘇南京蘭精有限公司提供;

(3)聚酯纖維，1.56 dtex×38 mm，由江蘇儀征化纖有限公司提供。

1.2 測(cè)試方法

(1)使用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)觀察殼聚糖纖維的縱向和橫向截面形態(tài)。

(2)使用XQ-2纖維強(qiáng)伸度儀測(cè)量殼聚糖纖維、粘膠纖維和聚酯纖維的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和初始模量。測(cè)試方法參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14337—1993，測(cè)試條件:拉伸速度20 m/min，拉伸距離20 cm，預(yù)加張力0.98 mN。

(3)使用Y802A型8籃恒溫烘箱測(cè)定殼聚糖纖維的回潮率、吸濕性，測(cè)試方法參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14341—1993。

(4)采用切斷稱(chēng)重法測(cè)量殼聚糖纖維、粘膠纖維和聚酯纖維的線密度，測(cè)試方法參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14335—1993。

(5)使用YG321型纖維比電阻儀測(cè)定殼聚糖纖維的質(zhì)量比電阻，測(cè)試方法參照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 14342—1993。

(6)使用YG362B型卷曲彈性?xún)x測(cè)定殼聚糖纖維的卷曲度，測(cè)試方法參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14338—1993;

(7)使用Y151型纖維摩擦系數(shù)測(cè)定儀測(cè)量纖維的摩擦性，絞盤(pán)法(纖維與鋼輥)。

2 結(jié)果分析

2.1 殼聚糖纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

圖1 殼聚糖纖維橫截面形態(tài)照片

圖2 殼聚糖纖維縱向形態(tài)照片

圖1和圖2分別為用光學(xué)顯微鏡(20倍)和SEM(4 000倍)采集的殼聚糖纖維橫截面和縱向形態(tài)照片?？梢钥闯?，殼聚糖纖維的縱向表面粗糙，有些許溝槽;橫截面近似橢圓形，沒(méi)有明顯的皮芯層結(jié)構(gòu)。這是由于在殼聚糖纖維濕法紡絲過(guò)程中，一般采用氫氧化鈉水溶液作為凝固浴，氫氧化鈉與乙酸的傳質(zhì)通量比小，固化速率緩慢，大分子的凝固和聚集較溫和，有利于纖維固化成形，使得形成的初生纖維截面近似圓形［2］。此外，氫氧化鈉具有很強(qiáng)的滲透纖維芯層的能力，使得纖維內(nèi)外層結(jié)構(gòu)趨于一致，不易形成皮芯層結(jié)構(gòu)［3］。因此，殼聚糖纖維的硬挺度較三角形截面的纖維低，且纖維的扭曲趨勢(shì)不明顯，相互間的接觸概率高，摩擦作用也較強(qiáng)。

2.2 殼聚糖纖維的理化性能

2.2.1 長(zhǎng)度

殼聚糖纖維切斷長(zhǎng)度為38 mm，排列整齊，因此在同樣梳理成網(wǎng)工藝條件下易于控制，纖維成網(wǎng)的均勻度好。

2.2.2 線密度

殼聚糖纖維試樣的線密度為l.33 dtex。由于纖維線密度小，梳理的效果好，成網(wǎng)的均勻性較好，梳理強(qiáng)度相對(duì)較低，因而能減少在梳理過(guò)程中產(chǎn)生的纖維斷裂和損傷問(wèn)題，制得的非織造材料體積密度大、強(qiáng)度高、手感柔軟。同時(shí)，纖維的線密度小，水刺纏結(jié)的效果好，在加固過(guò)程中單位面積內(nèi)的纖維根數(shù)就多，從而纖維間的接觸點(diǎn)增加，纖維間的纏結(jié)效果和相對(duì)滑移阻力也增加［4］。

2.2.3 力學(xué)性能

殼聚糖纖維、粘膠纖維和聚酯纖維的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。圖3是三種纖維的拉伸曲線。

表1 三種纖維的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

由表1和圖3可知:殼聚糖纖維的干態(tài)斷裂強(qiáng)度與粘膠纖維接近，比聚酯纖維小;斷裂伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)小于粘膠纖維和聚酯纖維;初始模量遠(yuǎn)大于粘膠纖維和聚酯纖維。由于殼聚糖纖維的模量較大，剛性較大，纖維表面平直，在梳理過(guò)程中纖維間的抱合力較差，從而直接影響成網(wǎng)的均勻性和落纖率的大小。另外，殼聚糖纖維的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率較小，給殼聚糖纖維的水刺加工增加了技術(shù)難度。

圖3 拉伸曲線

2.2.4 回潮率

圖4是殼聚糖纖維和粘膠纖維的吸濕平衡曲線。殼聚糖纖維的回潮率在12.86%左右，粘膠纖維的回潮率在12.09%左右，這是由于粘膠纖維與殼聚糖纖維的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，并且纖維表面都有些許溝槽，溝槽對(duì)空氣中的水蒸氣有很好的吸附作用，因此粘膠纖維與殼聚糖纖維的回潮率接近。由于殼聚糖纖維中的氨基和羥基都具有高親水性，且其電荷、極性基密度大，又是采用濕法紡絲方法制得，在纖維上形成了微孔結(jié)構(gòu)［5］，從而具有超強(qiáng)的保濕能力。由于殼聚糖纖維具有較高的吸濕性，有利于纖維間的纏結(jié)，可提高最終產(chǎn)品的力學(xué)性能和舒適性。

圖4 吸濕平衡曲線

2.2.5 摩擦性能

試驗(yàn)測(cè)得殼聚糖纖維、粘膠纖維和聚酯纖維與鋼輥間的動(dòng)摩擦因數(shù)分別為 0.72、0.36 和 0.75。與鋼輥之間的動(dòng)摩擦因數(shù)，殼聚糖纖維和聚酯纖維接近，遠(yuǎn)大于粘膠纖維，因此殼聚糖纖維之間的抱合力較大。由于殼聚糖纖維截面近似圓形，纖維相互之間的接觸概率較高，抱合力較大，因此殼聚糖纖維的接觸面積相對(duì)較大，摩擦因數(shù)也較大，使纖維滑脫阻力大，有利于提高殼聚糖纖維產(chǎn)品的強(qiáng)度［6］。但是，摩擦因數(shù)過(guò)大，易產(chǎn)生靜電和靜電積聚，影響梳理成網(wǎng)的正常進(jìn)行，所以應(yīng)預(yù)先調(diào)節(jié)溫濕度來(lái)減少靜電的產(chǎn)生。

2.2.6 卷曲性能

三種纖維的卷曲性能見(jiàn)表2。殼聚糖纖維的卷曲數(shù)和卷曲率明顯低于粘膠纖維和聚酯纖維，這是因?yàn)闅ぞ厶抢w維的剛性大，不易形成卷曲。用肉眼觀察，即可發(fā)現(xiàn)殼聚糖纖維的卷曲數(shù)很少，且卷曲小。在梳理過(guò)程中，因?yàn)槔w維的卷曲少，會(huì)直接降低纖維在開(kāi)松、梳理及成網(wǎng)過(guò)程中針齒對(duì)纖維的握持能力，也會(huì)減小纖維間的抱合力及摩擦力，成網(wǎng)時(shí)容易產(chǎn)生破網(wǎng)，成網(wǎng)的均勻度較差，給梳理成網(wǎng)帶來(lái)困難;在水刺加固過(guò)程中，由于殼聚糖纖維的卷曲少，減少了纖維間的滑移阻力，會(huì)影響纖維間的纏結(jié)效果，使得最終的水刺非織造材料的強(qiáng)度較低，彈性較小。

表2 三種纖維卷曲性能比較

2.2.7 電學(xué)性能

圖5是殼聚糖纖維與其他纖維質(zhì)量比電阻(ρm)的比較圖。殼聚糖纖維的質(zhì)量比電阻略高于粘膠纖維，但明顯低于聚酯纖維。考慮到纖維的可加工性，殼聚糖纖維的質(zhì)量比電阻較大，在實(shí)際生產(chǎn)加工中要對(duì)纖維進(jìn)行適當(dāng)?shù)目轨o電處理，可通過(guò)提高車(chē)間的濕度和使用抗靜電劑來(lái)減小靜電對(duì)成網(wǎng)加工產(chǎn)生的不良影響。

2.2.8 溶脹性

將殼聚糖纖維和粘膠纖維分別在水中浸沒(méi)10、20、30和40 s后觀察其直徑變化，結(jié)果如圖6所示。由于殼聚糖纖維和粘膠纖維表面都有凹槽，具有微孔結(jié)構(gòu)，在浸沒(méi)的前20 s內(nèi)兩種纖維膨脹較明顯;浸沒(méi)20～40 s，殼聚糖纖維的直徑略有增大，但不是很明顯，而粘膠纖維的直徑?jīng)]有明顯變化。在水刺加固中，殼聚糖纖維的吸濕膨脹增加了迎水面積，提高了水針帶動(dòng)纖維的效率，并且其抗彎模量和彈性回復(fù)率下降，伸長(zhǎng)率略有上升，這些都有利于水刺纏結(jié)。

圖5 殼聚糖纖維與其他纖維質(zhì)量比電阻比較

圖6 單纖維吸水過(guò)程中纖維直徑與時(shí)間的關(guān)系曲線

2.2.9 耐酸性

殼聚糖的糖殘基上有羥基，可與各種酸和酸的衍生物發(fā)生酯化反應(yīng)。殼聚糖在酸性溶液中，加熱到100℃時(shí)能充分水解生成葡萄糖胺鹽酸鹽，在較溫和的條件下可得到多種低聚糖的混合物。因此，殼聚糖纖維可溶于稀的鹽酸、硝酸等無(wú)機(jī)酸和大多數(shù)有機(jī)酸，不溶于稀的硫酸和磷酸。

2.2.10 耐堿性

殼聚糖纖維分別在60℃不同濃度的氫氧化鈉溶液中處理60 min，氫氧化鈉溶液的濃度分別為1、2和3 mol/L，殼聚糖纖維的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率隨氫氧化鈉溶液溫度變化的關(guān)系曲線分別見(jiàn)圖7和圖8。殼聚糖纖維的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率隨氫氧化鈉溶液濃度的增加而降低。這說(shuō)明氫氧化鈉溶液對(duì)殼聚糖纖維有一定的腐蝕作用，濃度越高，腐蝕作用越強(qiáng)。

圖7 殼聚糖纖維斷裂強(qiáng)力隨氫氧化鈉溶液濃度變化的關(guān)系曲線

圖8 殼聚糖纖維斷裂伸長(zhǎng)率隨氫氧化鈉溶液濃度變化的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

(1)殼聚糖纖維具有近似圓形的橫截面，與鋼輥間的動(dòng)摩擦因數(shù)較大，吸濕性很大，這些性能都有利于水刺纏結(jié)。

(2)殼聚糖纖維的卷曲數(shù)少，初始模量較大，剛性大，對(duì)纖維加工工藝有一定影響。在梳理成網(wǎng)過(guò)程中會(huì)直接降低針齒對(duì)纖維的握持能力，也會(huì)減小纖維間的抱合力和摩擦力，成網(wǎng)時(shí)容易產(chǎn)生破網(wǎng);在水刺加固時(shí)，纖維間的滑移阻力減小，會(huì)影響纖維間的纏結(jié)效果。

(3)為提高纖維的強(qiáng)力和卷曲回復(fù)性能，殼聚糖纖維的成纖工藝還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

［1］MUZZARELI R A A.Chitin［M］.Oxford:Pregamon Press Ltd.，1977.

［2］沈德興，郯志清，孫瑾，等.甲殼胺纖維的結(jié)構(gòu)與性能［J］.中國(guó)紡織大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，23(1):63-69.

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［4］浦松丹，李洪.水刺非織造布對(duì)纖維原料性能的要求［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2001，19(9):18-21.

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［6］柯勤飛，靳向煜.非織造學(xué)［M］.上海:東華大學(xué)出版社，2004.

Testing and analysis on properties of chitosan fiber

Wang Xiwen，Jin Xiangyu，Ke Qinfei
(College of Textiles，Donghua University)

By testing of morphological structure and physical and chemical properties of chitosan fiber，the influence of property of chitosan fiber on its carding and web-forming and spunlace processes were analyzed，and relative performances of viscose and polyester fibers were compared.They could offer the reference for manufacture chitosan spunlaced nonwovens.

chitosan fiber，spunlaced nonwovens，property test

TS102.51

A

1004－7093(2011)11－0015－05

2011－06－14

王夕雯，女，1987年生，在讀碩士研究生。主要從事生物醫(yī)用非織造材料的研究工作。