殼聚糖/粘膠水刺非織造布的制備及相關性能

徐小萍, 張寅江, 靳向煜, 吳 潔

(東華大學 產業用紡織品教育部工程研究中心， 上海 201620)

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殼聚糖/粘膠水刺非織造布的制備及相關性能

徐小萍, 張寅江, 靳向煜, 吳 潔

(東華大學 產業用紡織品教育部工程研究中心， 上海 201620)

為開發新一代的抑菌生物醫用材料，采用殼聚糖、粘膠纖維混合制備新型水刺非織造布。對不同面密度、不同配比的殼聚糖/粘膠水刺非織造布的力學性能、柔軟性、吸水性、透氣透濕性和抑菌性能進行對比分析。結果表明：殼聚糖/粘膠水刺非織造布具有良好的生物醫用性能，其斷裂強力隨著面密度的增加而增加，柔軟性、吸水透氣性卻呈下降趨勢；殼聚糖纖維含量較多的水刺非織造布柔軟性好，吸水透氣佳，抑菌效果顯著，但強力卻有所下降。

殼聚糖; 粘膠; 水刺非織造布; 配比; 性能; 生物醫用

殼聚糖是一種對人體無毒害、無刺激，具有天然生物相容性和可降解性的材料，可以被人體內的溶菌酶、甲殼質酶、脂肪酶、淀粉酶等分解，生成體內存在的氨基葡萄糖被人體吸收[1]，廣泛存在于自然界昆蟲類、水生甲殼類的外殼及菌藻類的細胞壁中，是地球上第二大再生纖維素資源。目前用殼聚糖開發的可吸收縫合線、人造皮膚等已相繼面世，并已臨床應用，其抑菌、止血、促愈等功能逐漸被人們所認可[2]。以殼聚糖纖維為原料的水刺非織造布具有生物醫用性及高強度、柔軟、舒適等性能。由于殼聚糖纖維卷曲小，初始模量較大，剛性大，強力低，在成網中會直接減小針齒對纖維的握持能力以及纖維間的抱和力、摩擦力，易產生破網，在水刺加固時也會影響纖維間的纏結效果[3]。而配入適當比例卷曲大、初始模量較低、剛度較小的纖維素粘膠纖維，有利于水刺時的纏結加固，可提高成網率，同時不影響產品降解。

1 實驗部分

1.1 原 料

殼聚糖纖維(1.6 dtex×38 mm)，山東華興海慈新材料有限公司;纖維素粘膠纖維(1.67 dtex×38 mm),唐山三友集團興達化纖有限公司。

1.2 制備工藝

本文采用殼聚糖與粘膠2種纖維為原料生產水刺非織造布，質量配比為50/50、20/80，面密度分別為65、80、165和200 g/m2。制備路線為：

纖維混合開松 → 梳理 → 交叉鋪網→ 水刺加固 → 干燥卷繞

采用德國Fleissner公司Aquajet Y500-2型水刺機。該機屬于平網式水刺機，其射流纏結成型有2個系統，第1系統為預濕水，第2系統為主水刺加固。為確保纖網有效加固纏結，可采用正反多道加固工藝。由于殼聚糖纖維強力低，要注意減輕水刺固結過程中對殼聚糖纖維的損傷，同時使水壓和抽吸配比達到最佳，保證布面不起毛。設計的水刺工藝參數為：采用2個水刺頭正反水刺，殼聚糖/粘膠(50/50)的正反水刺壓力分別為620、760、440、540 N/cm2；而殼聚糖/粘膠(20/80)的水刺壓力分別為620、740、620、740 N/cm2。

1.3 實驗測試方法

采用日立TM-1000型臺式掃描電子顯微鏡對殼聚糖纖維、粘膠纖維及水刺非織造布表面形態進行觀察。

參照FZ/T 60005—1991《非織造布斷裂強力及斷裂伸長的測定》，采用YG028-500型拉伸儀進行拉伸性能測試。

參照GB/T 18318—2001《紡織品 織物彎曲長度的測定》，采用LLY-01型電子硬挺度儀進行柔軟性測試。

參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性測定》，用YG461E型織物透氣儀測量透氣性。在一定的壓差條件下，通過測量單位時間、單位面積內材料通過的空氣量來反映材料的透氣性能。

參照GB/T 12704.1—1991《織物透濕量測定方法 透濕杯法》，采用YG601型電腦式織物透濕儀對試樣進行吸濕法測試。

依據FZ/T 64012.2—2001《水刺法非織造布 第2部分：衛生用卷材》測試試樣的吸水率。

依據GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分：振蕩法》對試樣進行抑菌性測試。

2 結果與討論

2.1 纖維與非織造布的表面形態

圖1為殼聚糖纖維和粘膠纖維縱向表面形態SEM照片。由圖可看出，殼聚糖纖維和粘膠纖維表面形態類似，都有縱向條紋。粘膠纖維的溝槽較明顯，邊緣呈鋸齒形，而殼聚糖纖維相對光滑，表面有些許由濕法紡絲造成的不規則縫裂，這種結構特點使得殼聚糖纖維吸濕時形成毛細管效應，加大其吸濕保濕能力[4-5]。

圖1 殼聚糖纖維和粘膠纖維縱向表面形態SEM照片Fig.1 SEM images of chitosan and viscose.(a)Chitosan(×3 000);(b)Viscose(×1 000)

圖2為不同配比的殼聚糖/粘膠非織造布表面形態的SEM照片。殼聚糖/粘膠(50/50)水刺非織造布中2種纖維混合均勻(見圖2(a))，而殼聚糖/粘膠(20/80)水刺非織造布(見圖2(b))中殼聚糖纖維顯然減少，但二者的纏結效果都較好，且網孔清晰。另外，粘膠纖維穿插、纏結在殼聚糖纖維周圍，存在粘膠纖維與殼聚糖纖維勾結、抱合現象。其撓度計算公式[3]為

Y={4F×f(L)}/(π×δ×r4×E)

(1)

式中：F為水針對纖維的沖擊力，N；f(L)為纖維跨度L的函數；δ為計算常數；E為纖維彈性模量，cN/cm2；r為纖維截面按等面積折合成圓形的半徑，cm。

式(1)中f(L)、δ、F為定量，對于不同的纖維具有相同的值。而對纖維撓度變形量起關鍵作用的是纖維半徑r、纖維彈性模量E。本中殼聚糖纖維彈性模量E殼=76.38 cN/cm2，粘膠纖維彈性模量E粘=39.16 cN/cm2，即E殼>E粘，當高速水針沖擊纖網時，殼聚糖纖維由于剛性大，不易隨水流的沖擊變形，撓度變形△Y較小，而粘膠纖維剛性小，易隨水針能量而滑移，撓度變形△Y較大。而在水刺狀態下二者的半徑變化差別不大，故該因素不予考慮[6]。所以粘膠纖維會纏結于殼聚糖纖維。

圖2 殼聚糖/粘膠水刺非織造布表面形態Fig.2 SEM images of chitosan/viscose spun-laced nonwoven.(a)50/50(×250);(b)20/80(×300)

2.2 力學性能

水刺非織造布受到拉伸時，纖維伸直受到周圍纖維的阻礙，形成徑向壓力，如果纖維間的纏結程度能產生足夠的壓力，以握持這根纖維，則產生纖維運動自鎖現象。在自鎖狀態，受到的張力越大，握持纖維的力越大，當拉力繼續增大，纖維逐漸伸長、變形，最終斷裂，致使非織造布被拉斷[7]。圖3示出面密度為165 g/m2，2種配比的殼聚糖/粘膠水刺非織造布縱向拉伸曲線。殼聚糖/粘膠(50/50)水刺非織造布的縱向模量比殼聚糖/粘膠(20/80)水刺非織造布的要大，但前者的斷裂強力比后者低。主要因為殼聚糖纖維初始模量大，在相同工藝和面密度條件下殼聚糖含量大的水刺布模量也較大，而粘膠纖維斷裂強力大，水刺加固時纏結效果好，故粘膠纖維含量多的殼聚糖/粘膠水刺布斷裂強力就大。

圖3 殼聚糖/粘膠水刺非織造布拉伸曲線Fig.3 Stretch curve of chitosan/viscose spun-laced nonwoven

圖4、5分別示出斷裂強力、纏結系數隨面密度變化的關系曲線。

圖4 斷裂強力隨面密度變化關系曲線Fig.4 Relationship between breaking strength and surface density

圖5 纏結系數隨面密度變化關系曲線Fig.5 Relationship between entanglement coefficient and surface density

由圖4、5可知，不管是縱向還是橫向，隨著纖維面密度的增加，殼聚糖/粘膠水刺非織造布的纏結系數、斷裂強力都近似線性增加，且殼聚糖/粘膠(50/50)水刺非織造布的纏結系數、斷裂強力總小于相應的殼聚糖/粘膠(20/80)水刺非織造布。這是由于纖維面密度增加使纖網層增多，纖網內纖維抱合力顯著增加，參與纏固結的纖維量增大，從而纏結系數增大，織物斷裂強力上升；而殼聚糖纖維初始模量大，斷裂強力小，與粘膠相比在相同高壓水針作用條件下其纏結能力差，易受沖擊而斷裂。

2.3 柔軟性

柔軟舒適的手感是醫用衛材主要性能之一，本文采用彎曲剛度衡量織物彎曲變形的剛柔程度。彎曲剛度的計算公式為

B=G×L3×10-3

(2)

式中：B為彎曲剛度，mN·cm；G為面密度，g/m2；L為試樣的彎曲長度，cm。

圖6示出彎曲剛度隨面密度變化關系曲線。可以看出：隨著面密度的增加，無論縱橫向水刺布的彎曲剛度都呈上升趨勢，且縱向的彎曲剛度總比橫向大。這是由于縱向排列纖維的數量隨著面密度增加而大幅增加，能夠更好地承擔彎曲應力;面密度較大時，纖維排列緊密，纏結系數增加，由彎曲剛度計算公式中彎曲剛度與彎曲長度的立方成正比，當面密度大于160 g/m2時，纖網中纖維彎曲長度大幅增大，故彎曲剛度急劇上升。另外在面密度相同情況下，殼聚糖/粘膠(50/50)水刺布縱橫向彎曲剛度都小于殼聚糖/粘膠(20/80)水刺布。殼聚糖纖維初始模量大，在水刺加固受到水針沖擊時損傷大，纏結效果差，而粘膠的卷曲數較多，卷曲性能好，加大了粘膠和殼聚糖纖維之間的抱合力，因而粘膠含量少的殼聚糖/粘膠(50/50)水刺布的柔軟性好。

圖6 彎曲剛度隨面密度變化關系Fig.6 Relationship between bending stiffness and surface density

2.4 吸水性

非織造布所含水分主要包括吸收水和毛細水。吸收水的多少取決于纖維本身，纖維的親水基團越多，與水的結合能力越強，吸水率就越高。毛細水主要分布在纖維及織物毛細空隙內，纖維分布越雜亂，空隙越大，毛細水越多。圖7示出吸水率隨面密度變化關系曲線。

圖7 吸水率隨面密度變化關系Fig.7 Relationship between water absorption and surface density

由圖7可知，殼聚糖/粘膠水刺布的吸水率均在600%以上，都隨著面密度的增大而減小，這是由于殼聚糖和粘膠纖維大分子中都具有較強的親水基團羥基，吸收水較多，隨著面密度增大，殼聚糖纖維量增加，纖網中纖維排列越緊密，孔隙趨于均勻，但整體孔徑減小，毛細水減少。但是比較殼聚糖/粘膠(50/50)水刺布和殼聚糖/粘膠(20/80)水刺布的吸水率，在面密度較小時，相同面密度下，前者的吸水率高于后者，但是面密度增加到165 g/m2時，前者的吸水率小于后者。這是因為面密度較小時，孔隙都比較大，吸水性主要取決于纖維本身性能，由于殼聚糖纖維分子結構中含有大量羥基、氨基及部分乙酰氨基等電負性基團，在分子內及分子間存在大量氫，并且其電荷、極性基密度大[8]，對水的吸附能力略強于粘膠，因此殼聚糖含量較多的殼聚糖/粘膠(50/50)水刺布吸水率較高。隨著面密度增大，纖維間空隙均勻且減小，吸水溶脹性較好的殼聚糖占據了較多的空隙體積[3]，而使纖維間排列更加緊密，空隙減小更明顯，毛細水較少，使粘膠含量較多的殼聚糖/粘膠(20/80)水刺布的吸水率較高。

2.5 透氣透濕性

纖維的直徑、織物中的空隙和面密度都影響著非織造布的透氣性[9]。圖8示出透氣量隨面密度變化的關系曲線。由圖可見，不同比例的殼聚糖/粘膠水刺非織造布的透氣性都隨著面密度的增大而減小。相同面密度情況下，殼聚糖/粘膠(20/80)水刺非織造布的透氣性略高于殼聚糖/粘膠(50/50)水刺非織造布，隨著面密度增大，最終趨于一致。面密度較小時，纖維層薄，織物透氣性受纖維間的空隙影響較大，粘膠纖維表面溝槽形態，截面呈鋸齒結構，纖維排列間空隙較大，而殼聚糖較光滑，纖維間空隙較小，造成2種試樣的透氣性有所差異。當面密度增大時，層與層的疊加減少了相互間的空隙，空隙差異的消失導致2種非織造布的透氣性趨于一致。

圖8 透氣量隨面密度變化關系Fig.8 Relationship between air permeability and surface density

非織造布的透濕量與纖維原料本身特性、試樣厚度及面密度有密切關系。圖9示出非織造布透濕量隨面密度變化的關系曲線。從圖可知，非織造布的透濕量先隨著面密度的增加而增加，面密度較大時，又隨其增大而減小。因為當面密度小于80 g/m2，纖網隨著面密度增加而變厚，參與水刺的纖維增多，雖然穿刺后網孔變小，但曲徑空隙數量增多，即水針穿刺后空隙體積增大值大于纖維吸濕膨脹后空隙體積減小值，所以透濕量隨著面密度增加而增加。當面密度大于80 g/m2，纖維吸濕后膨脹使空隙體積減小占主導地位，從而透濕量逐漸降低。從圖9也可看出殼聚糖/粘膠(50/50)水刺布的透濕量略高于殼聚糖/粘膠(20/80)水刺布。纖維原料的親水性越好，非織造布芯吸效應增大，其透濕性也越好[10]。殼聚糖纖維親水性較好，對水的吸附性略強于粘膠纖維，即殼聚糖纖維較好的吸濕作用提高了殼聚糖/粘膠(50/50)水刺布的透濕量。

圖9 透濕量隨面密度變化關系Fig.9 Relationship between water vapor permeability and surface densitys

2.6 抑菌性

采用振蕩法，分別以金黃色葡萄球菌為代表的革蘭氏陽性菌和大腸埃希菌為代表的革蘭氏陰性菌作為實驗菌種,對殼聚糖/粘膠水刺非織造布進行了抗菌性研究，結果如表1所示。圖10示出該材料的抑菌效果。

表1 殼聚糖/粘膠水刺非織造布抑菌效果
Tab. 1 Antibacterial effect of chitosan/viscose spu-nlaced nonwovens

樣品名稱抑菌率/%金黃色葡萄球菌ATCC25923大腸埃希菌ATCC25922純粘膠非織造布——殼聚糖/粘膠(20/80)非織造布934±36861±42殼聚糖/粘膠(50/50)非織造布981±42911±22

根據GB 15979—2002《一次性使用衛生用品衛生標準》 規定，當抗菌率大于26%時,即可認為該產品具有抗菌作用。因此，可以認為，殼聚糖用量為20%的水刺非織造布即具有明顯抗菌作用，且隨著殼聚糖用量增加，水刺布的抗菌性也增強，并且對革蘭氏陽性抑制作用略優于革蘭氏陰性菌。殼聚糖/粘膠水刺布之所以具有抗菌性是因為細菌細胞壁的主要成分是肽聚糖，殼聚糖分子中的不飽和陽離子可與帶負電荷的細菌結合，破壞其肽聚糖結構。很多研究認為，其破壞原因可能是破壞了聚糖骨架中N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸之間的 β-1,4-糖苷鏈，或可抑制四肽側鏈或五肽側鏈的連接，使細菌不能合成完整的細胞壁[11-12]。由于革蘭氏陽性菌所帶電荷較革蘭氏陰性菌高，能破壞更多的肽聚糖結構，故其抑制效果也較顯著[13]。

圖10 殼聚糖/粘膠水刺非織造布對金黃色葡萄球菌和大腸埃希菌的抑菌效果Fig.10 Antibacterial activity against Staphylococcus aureus and Escherichia coli of chitosan/viscose spun-laced nonwoven (a)Staphlococcus aureus; (b)Chitosan/viscose(20/80)-Staphlococcus; (c)Chitoson/viscose(50/50)-Staphlococcus; (d)Escherichia coli; (e)Chitosom/viscose(20/80)-Escherichia coli; (f)Chitosan/viscose(50/50)-Escherichia coli

3 結 語

1)殼聚糖纖維初始模量大，剛性大，而粘膠纖維剛性小，2種纖維的不同性能對水刺加固纏結效果有較大影響。通過研究殼聚糖纖維/粘膠水刺非織造布，得出殼聚糖纖維和粘膠纖維間的纏結機制，即粘膠纖維較多地滑移、穿插在殼聚糖纖維之間。

2)殼聚糖/粘膠水刺非織造布的斷裂強力、纏結系數都隨著面密度的增加而增加，柔軟性卻隨其下降。相同面密度時，殼聚糖/粘膠(50/50)水刺非織造布的斷裂強力、纏結系數小于殼聚糖/粘膠(20/80)水刺非造布，但前者的柔軟性好于后者。

3)殼聚糖/粘膠水刺非織造布具有良好的透濕吸水性能。纖網面密度大，厚度大，纖維層間空隙小，纖網的透氣性、吸水性都隨之下降，吸水率均在600%以上，而透濕量在面密度較小時，先隨著面密度增加而增加，面密度較大時隨其減小。另外，在相同面密度情況下，殼聚糖/粘膠(50/50)水刺非織造布的透濕量、吸水性略高于殼聚糖/粘膠(20/80)水刺非織造布。

4)殼聚糖/粘膠水刺非織造布具有較好抑菌性，殼聚糖含量越高，抑菌效果越好，且對革蘭氏陽性菌的作用略優于革蘭氏陰性菌。

FZXB

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Preparation and performance of chitosan/viscose spun-laced nonwoven

XU Xiaoping, ZHANG Yinjiang, JIN Xiangyu, WU Jie

(EngineeringResearchCenterofTechnicalTextiles,MinistryEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

To develop a new generation of antibacterial biomedical material, a novel spun-laced nonwoven fabric was prepared from chitosan and viscose fiber mixture. A comparative analysis was conducted of the spun-laced nonwoven fabrics with different areal densities and proportions with respect to the mechanical properties, soft, absorbent, breathable and antibacterial properties. It shows that the chitosan/viscose spunlaced nonwoven has a good biomedical performance, and its breaking strength increases with the increase of areal density, while softness, absorbency and air permeability exhibit downward trend; at the same time, the spun-laced nonwoven with greater content of chitosan fiber has better softness, good absorbency, air permeability and significantly improved antibacterial effect, but the strength slightly declines.

chitosan; viscose; spun-laced nonwoven fabric; proportion; performance; biomedical

0253- 9721(2013)06- 0051- 07

2012-06-22

2012-11-07

徐小萍(1988—)，女，碩士生。研究方向為醫用衛生非織造材料。靳向煜，通信作者，E-mail:jinxy@dhu.edu.com。

TS 176

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