羧甲基棉纖維水凝膠的制備與性能

俞莉玉　郭臘梅　田永龍（東華大學紡織學院 產業用紡織品教育部工程研究中心，上海　201620）

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羧甲基棉纖維水凝膠的制備與性能

俞莉玉郭臘梅田永龍
（東華大學紡織學院 產業用紡織品教育部工程研究中心，上海201620）

摘要：采用醫用脫脂棉紗布作為纖維原料，氯乙酸作為反應試劑，在堿性條件下進行羧甲基化處理，通過控制水與乙醇的質量比、氫氧化鈉濃度以及氫氧化鈉與氯乙酸的摩爾比，得到了具有不同取代度的羧甲基棉纖維水凝膠產品。研究了反應前后棉纖維紗布在溶液中的表觀形態、吸水性能以及力學性能。結果表明，羧甲基棉纖維水凝膠制備條件為：水與乙醇的質量比50/50、氫氧化鈉濃度為10%以及氫氧化鈉與氯乙酸的摩爾比為2時，棉纖維水凝膠的取代度為0.62，吸水率為756%，吸生理鹽水率為625%，干態強力為96.18N以及濕態強力為67.76N，滿足了水凝膠型醫用輔料對吸水性和強力的要求。

關鍵詞：棉纖維水凝膠；羧甲基化；吸水性能；力學性能

棉纖維紗布是傳統的創面用敷料，價格低廉且使用量大。棉纖維是一種親水性纖維，具有良好的吸水性，但由于棉纖維分子是中性高分子， 纖維結晶度高，遇水后纖維的溶脹度不高，傷口滲出液主要被吸收在纖維與纖維之間的毛細孔中，而纖維本身的吸水性有限。且在使用過程中，創面干燥后容易與創面的皮膚組織粘連在一起，在去除敷料時使皮膚組織拉傷。因而對棉纖維改性處理，是如今的研究熱點之一。棉纖維在堿性條件下羧甲基化改性處理可以得到吸濕性很強的羧甲基纖維素水凝膠。這種改性處理使傳統的以棉或粘膠纖維為原料的醫用敷料的性能得到了很大的改善，在流血、流膿的傷口護理中，能把大量的傷口滲出液吸收進纖維結構中，然后在創面上形成一層纖維狀的凝膠結構，在保持一定力學性能的同時為傷口的愈合提供一個濕潤的環境，有效的加快傷口愈合。

本研究以醫用脫脂棉紗布為原料，經氫氧化鈉乙醇水溶液預處理后，進行羧甲基化反應，得到具有不同取代度的羧甲基棉纖維水凝膠。并且棉紗布為原料進行羧甲基化反應的同時，不僅能夠吸收大量的水，還能保持一定的力學性能，以制成可作醫用棉纖維水凝膠型敷料的原料。

1 實驗部分

1.1 實驗材料、儀器

纖維材料：醫用脫脂棉紗布，組織：平紋，紗支：21s×21s，經緯密：110×102根/100mm，曹縣康源醫用衛生材料有限責任公司。

藥品：氫氧化鈉、一氯乙酸、無水乙醇、乙酸和氯化鈉均為分析純試劑。

儀器：往復式水浴恒溫振蕩器、HD026N＋電子織物強力機、北昂M318A光學顯微鏡、pHTestro30防水型pH測試筆。

1.2 羧甲基棉纖維水凝膠制備

（1）棉紗布預處理：常溫下洗滌，105℃烘干1h。

（2）羧甲基化改性處理：配制一定質量比的乙醇/水溶液，加入適量的氫氧化鈉配置一定濃度的氫氧化鈉乙醇水溶液，將棉紗布浸漬在其中，25℃處理30min。處理結束后，取出棉紗布并擠出多余反應液至帶液率為200%，然后再將其放入一定摩爾比的氫氧化鈉和氯乙酸的混合乙醇溶液中浸泡10min，75℃水浴振蕩環境下使發生羧甲基化反應。4h后，取出試樣，加入乙酸和無水乙醇，調節其pH值為6-7。然后將處理試樣布，用60%、80%和95%的乙醇分別洗滌一次，得羧甲基化的棉紗布試樣。最后將其置于60℃干燥箱內烘干，待用。

1.3 羧甲基棉纖維水凝膠取代度測定

稱取制備的純化烘干樣品0.2g（準確至0.1mg），溶于80mL蒸餾水中，用堿調節溶液使溶液的pH為8，然后在裝有酸度計電極的燒杯中用硫酸標準溶液滴定試液，邊滴定邊觀察酸度計指示值，直到pH值為3.74 為止，記下用去的硫酸標準溶液的體積。取代度的公式如下：

式中：M-硫酸標準溶液的摩爾濃度，V-滴定用去的硫酸標準溶液體積，A-表示CMC樣品的純度。

1.4 羧甲基棉纖維水凝膠吸水性測試

將羧甲基化試樣放置在25℃，60%的相對濕度下24h，使其回潮率達到平衡。這時測定醫用棉紗布干重M1，之后把醫用棉紗布放入水或生理鹽水中30min，使其溶脹吸水飽和后，用200目的篩網過濾30分鐘，濾去醫用棉紗布表面過量的水至棉紗布恰好不往下滴水迅速進行稱重，稱量醫用棉紗布重量M2。吸水率計算如下：

Q ＝（M2-M1）/M1×100

式中：Q-吸水率，%；M1-羧甲基化醫用棉紗布吸水前重量，g；M2-羧甲基化醫用棉紗布吸水后重量，g。

1.5 羧甲基棉纖維水凝膠強力測定

用電子織物強力機對干、濕態羧甲基化試樣進行經向拉伸斷裂性能測試，隔距長度為120mm，拉伸速度為50mm/min。

2 結果與討論

2.1 羧甲基棉纖維水凝膠的表觀形態

將未羧甲基化試樣和羧甲基化試樣分別浸漬于去離子水中吸水至飽和狀態，取出試樣，吸干表面多余的水，并將其置于光學顯微鏡40倍物鏡下觀察。

將未羧甲基化試樣和羧甲基化試樣分別浸漬于去離子水中吸水至飽和狀態，取出試樣，吸干表面多余的水，并將其置于光學顯微鏡40倍物鏡下觀察。在圖1（a）中可以明顯的看出，盡管棉紗布中的纖維都被潤濕，但所吸的液體很少，纖維之間的空隙清晰分明。將圖1 （b）與圖1（a）相比可發現，羧甲基化后的棉纖維在遇水后高度膨脹形成水凝膠體，纖維間的空隙幾乎被覆蓋，整個試樣呈半透明狀態。

2.2 羧甲基棉纖維水凝膠的吸水性能

圖2反映得是試樣的吸水性和水與乙醇質量比的關系，隨著水含量的增加，試樣的取代度和吸水率呈先上升后下降的趨勢，水含量為50%時吸水性最好。水含量較少時，羧甲基化缺少反應介質，試樣羧甲基化程度低，吸水率小；水含量逐漸增加，纖維潤脹而具有反應活性，有利于氯乙酸在纖維素中的滲透與擴散，試樣羧甲基化程度增高，取代度和吸水率也增高；當水含量超過50%，纖維在水中溶脹形成凝膠體，氯乙酸難于向纖維素均勻滲透，同時容易引發游離堿與氯乙酸的水解副反應，試樣羧甲基化效率降低，吸水性下降。

圖3反映試樣的取代度和吸水性與氫氧化鈉濃度的關系圖。氫氧化鈉濃度低，棉纖維溶脹程度較低，氫氧化鈉對氫鍵的拆散作用較弱，試樣的吸水性低；氫氧化鈉濃度逐漸增大，棉纖維不斷溶脹，無定形區比例增大，有利于Na＋進入纖維內部與-OH結合生成堿纖維素；當氫氧化鈉濃度超過20%時，纖維溶脹達到飽和，游離堿含量升高，副反應加劇，不利于羧甲基化反應。試樣的取代度和吸水性隨氫氧化鈉與氯乙酸摩爾比的增加呈先上升后下降的趨勢。這是由于棉纖維的羧甲基化反應應確保在堿性催化條件下進行。若游離堿過少，堿纖維素生成困難，降低氯乙酸的利用率，造成羧甲基化效果下降。但游離堿過多，副反應增加，氯乙酸鈉將生成羥乙酸鈉，試樣吸水性降低。

2.3 羧甲基棉纖維水凝膠的力學性能

而纖維的干態斷裂強力則隨取代度的增加呈先上升后下降的趨勢，取代度0.62為干強的轉折點。纖維取代度低時，隨著取代度的增加，棉纖維得到潤脹，其表面天然扭曲被消除，減少了薄弱環節及應力集中現象，從而試樣的干強得到提高。而試樣取代度高于0.62時，纖維結晶結構遭到破壞，大分子鏈間的氫鍵被打開的程度高，纖維結構松散，造成試樣干態斷裂強力的下降。

結論

通過羧甲基棉纖維水凝膠的表觀形態、吸水性能及力學性能的研究，羧甲基棉纖維水凝膠保持高吸水性的同時能維持一定強度的最佳工藝條件為：水與乙醇的質量比為50/50、氫氧化鈉濃度為10%以及氫氧化鈉與氯乙酸的摩爾比為2。此時，制得的羧甲基棉纖維水凝膠取代度為0.62，吸水率為756%，吸生理鹽水率為625%，干態強力為96.18N以及濕態強為67.76N，可作為棉纖維水凝膠型醫用敷料的原料。

參考文獻

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