殼聚糖纖維性能的測試與分析

王夕雯 靳向煜 柯勤飛

(東華大學紡織學院，上海，201620)

殼聚糖纖維性能的測試與分析

王夕雯 靳向煜 柯勤飛

(東華大學紡織學院，上海，201620)

通過殼聚糖纖維形態結構和物理化學性能的測試，并與粘膠纖維和聚酯纖維的相關性能進行比較，分析了殼聚糖纖維的特性對其梳理成網和水刺加工過程的影響，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，性能測試

殼聚糖纖維是以殼聚糖為主要原料，溶解在適當的溶劑中，配制成一定濃度的紡絲原液，再經噴絲、凝固成形、拉伸等工藝制得的具有一定強度的高分子功能性材料。甲殼素首先是由法國研究自然科學史的BraConnot教授于1811年在蘑菇中發現的［1］，1823年另一位法國科學家Odier從甲殼類昆蟲的翅鞘中分離出同樣的物質，并命名為“Chitin”;1859年法國科學家Rouget將甲殼素用濃堿煮沸加熱處理，得到了脫乙酰基甲殼素，稱為殼聚糖(Chitosan)［1］。我國對甲殼素/殼聚糖的開發和研究起步較晚，從20世紀80年代才開始生產殼聚糖。目前研發人員已意識到殼聚糖具有優異的物化性質、生物相容性和生理活性，開始了殼聚糖的應用開發，高附加值和高技術含量的殼聚糖產品已經成為開發的熱點。

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，其產品不僅具有殼聚糖纖維本身的生物醫學特點，而且兼有柔軟、衛生、無毛羽和生產工藝簡單等優點。殼聚糖纖維水刺非織造材料可廣泛應用于人造皮膚、創面保護覆蓋材料，還可制成美容面膜、食品蓋布和包裝材料等。本文對殼聚糖纖維、粘膠纖維和聚酯纖維的基本性能進行測試和分析，為殼聚糖纖維水刺非織造材料工藝技術的開發提供參考依據。

1 試驗

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 測試方法

(1)使用光學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。

(2)使用XQ-2纖維強伸度儀測量殼聚糖纖維、粘膠纖維和聚酯纖維的斷裂強度、斷裂伸長率和初始模量。測試方法參照標準GB/T 14337—1993，測試條件:拉伸速度20 m/min，拉伸距離20 cm，預加張力0.98 mN。

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

(4)采用切斷稱重法測量殼聚糖纖維、粘膠纖維和聚酯纖維的線密度，測試方法參照標準GB/T 14335—1993。

(5)使用YG321型纖維比電阻儀測定殼聚糖纖維的質量比電阻，測試方法參照標準 GB/T 14342—1993。

(6)使用YG362B型卷曲彈性儀測定殼聚糖纖維的卷曲度，測試方法參照標準GB/T 14338—1993;

(7)使用Y151型纖維摩擦系數測定儀測量纖維的摩擦性，絞盤法(纖維與鋼輥)。

2 結果分析

2.1 殼聚糖纖維的形態結構

圖1 殼聚糖纖維橫截面形態照片

圖2 殼聚糖纖維縱向形態照片

圖1和圖2分別為用光學顯微鏡(20倍)和SEM(4 000倍)采集的殼聚糖纖維橫截面和縱向形態照片。可以看出，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，沒有明顯的皮芯層結構。這是由于在殼聚糖纖維濕法紡絲過程中，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，氫氧化鈉具有很強的滲透纖維芯層的能力，使得纖維內外層結構趨于一致，不易形成皮芯層結構［3］。因此，殼聚糖纖維的硬挺度較三角形截面的纖維低，且纖維的扭曲趨勢不明顯，相互間的接觸概率高，摩擦作用也較強。

2.2 殼聚糖纖維的理化性能

2.2.1 長度

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

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，成網的均勻性較好，梳理強度相對較低，因而能減少在梳理過程中產生的纖維斷裂和損傷問題，制得的非織造材料體積密度大、強度高、手感柔軟。同時，纖維的線密度小，水刺纏結的效果好，在加固過程中單位面積內的纖維根數就多，從而纖維間的接觸點增加，纖維間的纏結效果和相對滑移阻力也增加［4］。

2.2.3 力學性能

殼聚糖纖維、粘膠纖維和聚酯纖維的力學性能測試結果見表1。圖3是三種纖維的拉伸曲線。

表1 三種纖維的力學性能測試結果

由表1和圖3可知:殼聚糖纖維的干態斷裂強度與粘膠纖維接近，比聚酯纖維小;斷裂伸長率遠小于粘膠纖維和聚酯纖維;初始模量遠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，在梳理過程中纖維間的抱合力較差，從而直接影響成網的均勻性和落纖率的大小。另外，殼聚糖纖維的強度和伸長率較小，給殼聚糖纖維的水刺加工增加了技術難度。

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構類似，并且纖維表面都有些許溝槽，溝槽對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構［5］，從而具有超強的保濕能力。由于殼聚糖纖維具有較高的吸濕性，有利于纖維間的纏結，可提高最終產品的力學性能和舒適性。

圖4 吸濕平衡曲線

2.2.5 摩擦性能

試驗測得殼聚糖纖維、粘膠纖維和聚酯纖維與鋼輥間的動摩擦因數分別為 0.72、0.36 和 0.75。與鋼輥之間的動摩擦因數，殼聚糖纖維和聚酯纖維接近，遠大于粘膠纖維，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較大，摩擦因數也較大，使纖維滑脫阻力大，有利于提高殼聚糖纖維產品的強度［6］。但是，摩擦因數過大，易產生靜電和靜電積聚，影響梳理成網的正常進行，所以應預先調節溫濕度來減少靜電的產生。

2.2.6 卷曲性能

三種纖維的卷曲性能見表2。殼聚糖纖維的卷曲數和卷曲率明顯低于粘膠纖維和聚酯纖維，這是因為殼聚糖纖維的剛性大，不易形成卷曲。用肉眼觀察，即可發現殼聚糖纖維的卷曲數很少，且卷曲小。在梳理過程中，因為纖維的卷曲少，會直接降低纖維在開松、梳理及成網過程中針齒對纖維的握持能力，也會減小纖維間的抱合力及摩擦力，成網時容易產生破網，成網的均勻度較差，給梳理成網帶來困難;在水刺加固過程中，由于殼聚糖纖維的卷曲少，減少了纖維間的滑移阻力，會影響纖維間的纏結效果，使得最終的水刺非織造材料的強度較低，彈性較小。

表2 三種纖維卷曲性能比較

2.2.7 電學性能

圖5是殼聚糖纖維與其他纖維質量比電阻(ρm)的比較圖。殼聚糖纖維的質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，殼聚糖纖維的質量比電阻較大，在實際生產加工中要對纖維進行適當的抗靜電處理，可通過提高車間的濕度和使用抗靜電劑來減小靜電對成網加工產生的不良影響。

2.2.8 溶脹性

將殼聚糖纖維和粘膠纖維分別在水中浸沒10、20、30和40 s后觀察其直徑變化，結果如圖6所示。由于殼聚糖纖維和粘膠纖維表面都有凹槽，具有微孔結構，在浸沒的前20 s內兩種纖維膨脹較明顯;浸沒20～40 s，殼聚糖纖維的直徑略有增大，但不是很明顯，而粘膠纖維的直徑沒有明顯變化。在水刺加固中，殼聚糖纖維的吸濕膨脹增加了迎水面積，提高了水針帶動纖維的效率，并且其抗彎模量和彈性回復率下降，伸長率略有上升，這些都有利于水刺纏結。

圖5 殼聚糖纖維與其他纖維質量比電阻比較

圖6 單纖維吸水過程中纖維直徑與時間的關系曲線

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生酯化反應。殼聚糖在酸性溶液中，加熱到100℃時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、硝酸等無機酸和大多數有機酸，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力和斷裂伸長率隨氫氧化鈉溶液溫度變化的關系曲線分別見圖7和圖8。殼聚糖纖維的斷裂強力和斷裂伸長率隨氫氧化鈉溶液濃度的增加而降低。這說明氫氧化鈉溶液對殼聚糖纖維有一定的腐蝕作用，濃度越高，腐蝕作用越強。

圖7 殼聚糖纖維斷裂強力隨氫氧化鈉溶液濃度變化的關系曲線

圖8 殼聚糖纖維斷裂伸長率隨氫氧化鈉溶液濃度變化的關系曲線

3 結論

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

(2)殼聚糖纖維的卷曲數少，初始模量較大，剛性大，對纖維加工工藝有一定影響。在梳理成網過程中會直接降低針齒對纖維的握持能力，也會減小纖維間的抱合力和摩擦力，成網時容易產生破網;在水刺加固時，纖維間的滑移阻力減小，會影響纖維間的纏結效果。

(3)為提高纖維的強力和卷曲回復性能，殼聚糖纖維的成纖工藝還需要進一步改進。

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

［2］沈德興，郯志清，孫瑾，等.甲殼胺纖維的結構與性能［J］.中國紡織大學學報，1997，23(1):63-69.

［3］李達，馬建偉.殼聚糖纖維的生產現狀及展望［J］.現代紡織技術，2009(3):66-68.

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

［5］錢清.甲殼質纖維的制備及應用［J］.合成技術及應用，2001，16(3):29-31.

［6］柯勤飛，靳向煜.非織造學［M］.上海:東華大學出版社，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。主要從事生物醫用非織造材料的研究工作。