甲壳素纤维

南通大学 甲壳素纤维的应用 摘要：本文介绍了甲壳素纤维的结构特征、制备，以及它的良好的生物特性及应用。 关键词:甲壳素纤维 制备 特性 应用 甲壳素纤维是以天然高聚物虾皮蟹壳为原料加工制成的一种新型纤维。随着人们绿色环保、抗菌保健意识的不断增强,普通化纤纺织品已无法满足人们的要求,在化纤工业发展中抗菌保健纤维已成为主攻项目,于是开发了甲壳素纤维制成的纺织品,其具有天然的抗菌功能,对人体无害、无刺激,因而被称为“保健型绿色纤维”。甲壳素纤维与棉、毛、化纤混纺织成的面料具有坚挺、不皱不缩、色泽鲜艳、吸汗性能好且不易褪色等特点。随着研究开发的进一步深入,甲壳素纤维还可用于其它领域,成为当今高科技新材料中的一颗灿烂的新星。 1 甲壳素纤维的结构特征 1.1　基本化学组成 甲壳素的化学名称为(1-4)-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖,是由2-乙酰胺基-2-脱氧葡萄糖通过β-(1-4)苷键连接而成的线性含氮多糖高聚物,它的主链结构与纤维素类似。前面提到的甲壳素在大多数情况下是指壳聚糖,在实践应用中大都也用的是壳聚糖。它们的化学结构式如图1所示[1-5]。 图1 甲壳素、壳聚糖、纤维素的化学结构式 1.2　聚集态结构 甲壳素的结晶结构可以分为α、β和γ三种。其中,α甲壳素中的高分子链以一正一反的形式排列,而β甲壳素中的高分子链都排列在同一个方向,γ甲壳素中的高分子链以两个正方向和一个反方向的形式组成[6]。由于乙酰胺基团有很高的氢键形成能力,所以甲壳素是一种结晶度很高的高分子材料,并且其结晶度随着纤维中乙酰度的提高而提高,结晶度的增加使纤维的强度增加。当纤维部分乙酰化时,纤维的高分子结构变得无规则,影响了纤维的结 晶度,从而使湿强有所下降[7]。 1.3　形态结构 一般的甲壳素纤维表面平直、略微弯曲,形态均匀;断面粗细均匀,形状有圆形、多角形。图2和图3为甲壳素纤维100的表面以及断面的照片。 图2 甲壳素纤维100的表面照片 图3甲壳素纤维100的断面照片 但是粘胶基甲壳素纤维与一般的甲壳素纤维稍有差异。表1为粘胶基甲壳素纤维与其他几种纤维的形态结构的比较[8]。 通过切片发现粘胶基甲壳素纤维纵向特征有很多清晰的沟槽,截面形态边缘为不规则的锯齿形,芯层有很多细小的空隙。其纵向形态特征与粘胶纤维一样,都有明显的沟槽,不同的是粘胶的横截面为皮芯层结构,而粘胶基甲壳素截面芯层有很多细小的空隙。纵向沟槽和横截面有空隙有利于吸湿、导湿和放湿,甲壳素纤维的良好吸湿性是夏季服装的首选材料。 表1 粘胶基甲壳素纤维的形态结构比较 纤维种类 粘胶基甲壳素 粘胶 棉 羊毛 涤纶 长度/mm 51 64 23～31 56～110 64 细度/dtex 5.56 3.33 1.2～2.0 2.5～8.2 2.67 纵向形态 有明显沟槽 有明显沟槽 天然转曲 有鳞片 光滑 边缘锯齿形、 边沿锯齿形 皮芯层结构 腰圆形有 中腔 圆形近视 椭圆形 表面形态 芯层有明显的 圆形 细小的空隙 体积质量 1.50 1.52 1.54 1.32 1.38 /g/㎝3 2 甲壳素纤维制备及 将甲壳素纺制成甲壳素纤维的方法很多,下面简要介绍3种。 方法1:日本木船泓尔[9]提出的方法是将甲壳素在室温下溶解,溶剂采用含有氯化锂的二甲基乙酰胺溶液,其比例为m(LiCl)∶m(DMAC)=1∶20。甲壳素质量分数为3%,经过滤脱泡后即得透明粘稠的纺丝液。纺丝凝固浴用异丙醇,凝固后的纤维用无离子水充分洗净,干燥后即得甲壳素纤维。 方法2:日本公开特许公报昭60-59123介绍了仓桥五男[10]等采用制备壳聚糖纤维的方法,是在搅拌中把壳聚糖溶解在由5%醋酸溶液和1%尿素组成的混合液中,经过滤脱泡后得到质量分数为3.5%、粘度为1.52 Pa·s的纺丝溶液。用孔径0.4 mm,180孔的喷丝头,将纺丝浆液挤压到室温的凝固浴中。凝固浴采用不同浓度的氢氧化钠与乙醇的混合液,凝固的纤维用温水洗涤,拉伸1.25倍后卷绕,在张力状态下,在80℃下干燥0.5 h,即得壳聚糖纤维。 方法3:首先将甲壳素或壳聚糖溶解在合适的溶剂中,配置成有一定浓度的纺丝溶液,经过滤脱泡后,用压力把原液从喷丝头的小孔中喷入凝固浴中,成细流状的原液在凝固浴中凝固成固态纤维,再经拉伸、 洗涤和干燥等后处理,即得到甲壳素或壳聚糖纤维。 利用甲壳素或壳聚糖制造纤维的工艺方法还有很多,但其主要原理、操作过程是相似的,只是在溶剂及凝固浴的选择、溶解、纺丝及后处理工艺等方面进行不同的调整而已。其工艺路线一般为2类。 工艺路线1：甲壳素（壳聚糖） 溶解 纺丝原液 过滤 脱泡 计量 纺丝 一浴 牵伸 二浴 定型 洗涤 干燥 纤维 工艺路线1：甲壳素（壳聚糖） 改性处理 纺丝原液 过滤 脱泡 计量 纺丝 凝固浴 牵伸 定型 洗涤 干燥 纤维 以上2种工艺路线,后者制得的纤维强力比前者高1倍,其他性能变化不大。 3 甲壳素纤维特性 （1）吸湿透气性好　甲壳素纤维具有优良的吸湿和透气性能,吸汗保温,穿着十分舒适。甲壳素纤维的吸湿率可达400%~500%,是纤维素纤维的2倍多;其平衡回潮率超过粘胶15%以上。 （2）优良的抗菌性活性　甲壳素纤维具有优良的抗菌性活性,对大肠杆菌、枯草杆菌、金黄色葡萄球菌、乳酸杆菌等常见菌种具有很好的抑菌作用。因此,由甲壳素纤维制成的纺织品不需要进行抗微生物整理就具有良好的抗菌防臭作用,并且可以防治皮肤病。 （3）良好的生物相容性　甲壳素及其衍生物在生物体内可以被降解,不会有蓄积作用,产物也不与体液反应,对组织无排异反应,因此有良好的生物相容性。 （4）染色性好　甲壳素纤维呈碱性和高度的化学活性,对活性染料等纤维素纤维染色用染料有优异的染色性能和上染率。 （5）生物可降解性好　甲壳素和纤维素都是天然的高分子材料,具有生物可降解的特性,是真正的绿色环保纺织原料。 （6）安全性　通常使用的抗菌处理剂都不可避免毒性,对皮肤、眼睛也有刺激,经水洗后抗菌作用还会下降,细菌还易产生耐药性。而甲壳素制品作为保健品的原材料,对人体的耐刺激性、急性毒性、亚急性毒性、慢性毒性和过敏性毒性合格,其持久性强,不存在耐药性等副作用。 4 甲壳素纤维的应用 甲壳素具有良好的物理化学性质:能拉丝、成膜、制粒;能通过化学改性提高物理化学性能;能和多种物质(如胆固醇、脂肪、金属离子、蛋白质、肿瘤细胞等)结合;无毒,具有生物相容性。因此,甲壳素纤维以其优异的性能,得到世界各国的广泛关注。目前甲壳素纤维已实现批量生产,主要应用在以几个方面[11,12]。 在纺织印染业方面,甲壳素纤维用于制作抗菌防臭纤维、服用纺织品、床上用品、装饰用品、印染固色剂、粘合剂、涂料印花成膜剂、上浆剂、抗静电剂等,它在非织造布中的应用较为突出,它被用于人造 皮肤、创面保护覆盖材料、美容面膜、食品盖布和包装材料。 在食品工业方面,用作食品增稠剂、防腐剂、减肥食品添加剂、肠道有益菌生长活性剂、机体免疫增强食品和水果保鲜剂及果汁、啤酒、饮料的澄清剂等。 在化工及轻工业方面,用作摄影胶片的增感剂、纸张施胶剂、涂料添加剂、头发调理剂、保温剂、固发剂、洗发香波、香皂、护肤剂、口腔卫生制剂、凝聚剂、重金属离子吸收剂、接触镜片等。 在医药卫生方面,用于制作能被机体分解和吸收的外科用手术缝合线,用于治疗烫伤、烧伤的生物敷料,药物缓释材料,抑制肿瘤药物,抗菌剂,止血剂,抗凝血剂等。此外,它还被认为是人造皮肤的理想材料(如分离膜材料)。目前利用甲壳素纤维已开发了渗透膜、过滤膜、反渗透膜和其他形式的能量转换膜。这些产品已在化工产品分离、湿法冶金、生物产品分离、食品加工、医药工业和环保等方面得到应用。 甲壳素纤维还被用于工业废水中有机物脱色剂、凝絮剂,生活中饮水的净化剂、香烟过滤嘴材料等。相信随着研究工作的进一步深入,其应用领域还会进一步扩大。 5 结语 甲壳素纤维是一种新型纤维素纤维,它具有独特的性能,用其加工的高档仿丝绸产品具有抗菌抑菌和防臭等功效,生物降解性好,吸湿和透气性好。随着对甲壳素纤维研究地不断深入,其应用领域将进一步扩大。我们有理由相信甲壳素纤维的产品将造福于人类。 参考文献 [1]　舒守涛.甲壳素纤维的性能及应用[J].新疆纺织,2005(4):10-12. [2]　王文淑,戚军芳,吕悦慈.甲壳素纤维的性能及应用[J].河北工业科 技,2004,21(2):46-48. [3]　Majeti N.V.Ravi Kumar. A review of chitin and chitosan ap-plications[J] Reactive & Functional Polymers 2000(46): 1-27. [4]　徐澜,张海容.生物材料甲壳素/壳聚糖的研究利用[J].太原师范学 院学报(自 然科学版),2007,6(2):110-113. [5]　莫秀梅,王鹏等.甲壳素/甲壳胺的聚集态结构及性能[J].高等学校化学学报,1998,19(6):989-993. [6]　秦益民.甲壳素与甲壳胺纤维[J].合成纤维,2004(3):22-23. [7]　Jonathan Z.Knaul,Samuel M.Hudson. Improved mechanicalproperties of chitosan fibers[J] Journal of Applied Polymer Science,1999(72):1721-1732. [8]　周建平,周建伟.粘胶基甲壳素纤维的性能测试分析[J].棉纺织技 术,2004,32(2):104-107. [9] 公开特许公报,昭58-183169 [P] [10] 公开特许公报,昭58-183169 [P] [11] [杨安乐.甲壳素的改性研究及其在功能材料上的应用[J].现代工,1999(4):15-20 [12] 赵博.甲壳素纤维性能及其产品开发应用[J] .四川丝绸,2005(2):19-21 1