壳聚糖纤维性能的测试与分析

王夕雯 靳向煜 柯勤飞

(东华大学纺织学院，上海，201620)

壳聚糖纤维性能的测试与分析

王夕雯 靳向煜 柯勤飞

(东华大学纺织学院，上海，201620)

通过壳聚糖纤维形态结构和物理化学性能的测试，并与粘胶纤维和聚酯纤维的相关性能进行比较，分析了壳聚糖纤维的特性对其梳理成网和水刺加工过程的影响，可为研制壳聚糖纤维水刺非织造材料提供参考。

壳聚糖纤维，水刺非织造材料，性能测试

壳聚糖纤维是以壳聚糖为主要原料，溶解在适当的溶剂中，配制成一定浓度的纺丝原液，再经喷丝、凝固成形、拉伸等工艺制得的具有一定强度的高分子功能性材料。甲壳素首先是由法国研究自然科学史的BraConnot教授于1811年在蘑菇中发现的［1］，1823年另一位法国科学家Odier从甲壳类昆虫的翅鞘中分离出同样的物质，并命名为“Chitin”;1859年法国科学家Rouget将甲壳素用浓碱煮沸加热处理，得到了脱乙酰基甲壳素，称为壳聚糖(Chitosan)［1］。我国对甲壳素/壳聚糖的开发和研究起步较晚，从20世纪80年代才开始生产壳聚糖。目前研发人员已意识到壳聚糖具有优异的物化性质、生物相容性和生理活性，开始了壳聚糖的应用开发，高附加值和高技术含量的壳聚糖产品已经成为开发的热点。

以壳聚糖纤维为原料，采用水刺加固工艺制成的水刺非织造材料具有很好的透气性和较高的吸湿性，其产品不仅具有壳聚糖纤维本身的生物医学特点，而且兼有柔软、卫生、无毛羽和生产工艺简单等优点。壳聚糖纤维水刺非织造材料可广泛应用于人造皮肤、创面保护覆盖材料，还可制成美容面膜、食品盖布和包装材料等。本文对壳聚糖纤维、粘胶纤维和聚酯纤维的基本性能进行测试和分析，为壳聚糖纤维水刺非织造材料工艺技术的开发提供参考依据。

1 试验

1.1 原材料

(1)壳聚糖纤维，1.33 dtex×38 mm，由山东华兴海慈新材料有限公司提供;

(2)粘胶纤维，1.6 dtex×38 mm，由江苏南京兰精有限公司提供;

(3)聚酯纤维，1.56 dtex×38 mm，由江苏仪征化纤有限公司提供。

1.2 测试方法

(1)使用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察壳聚糖纤维的纵向和横向截面形态。

(2)使用XQ-2纤维强伸度仪测量壳聚糖纤维、粘胶纤维和聚酯纤维的断裂强度、断裂伸长率和初始模量。测试方法参照标准GB/T 14337—1993，测试条件:拉伸速度20 m/min，拉伸距离20 cm，预加张力0.98 mN。

(3)使用Y802A型8篮恒温烘箱测定壳聚糖纤维的回潮率、吸湿性，测试方法参照标准GB/T 14341—1993。

(4)采用切断称重法测量壳聚糖纤维、粘胶纤维和聚酯纤维的线密度，测试方法参照标准GB/T 14335—1993。

(5)使用YG321型纤维比电阻仪测定壳聚糖纤维的质量比电阻，测试方法参照标准 GB/T 14342—1993。

(6)使用YG362B型卷曲弹性仪测定壳聚糖纤维的卷曲度，测试方法参照标准GB/T 14338—1993;

(7)使用Y151型纤维摩擦系数测定仪测量纤维的摩擦性，绞盘法(纤维与钢辊)。

2 结果分析

2.1 壳聚糖纤维的形态结构

图1 壳聚糖纤维横截面形态照片

图2 壳聚糖纤维纵向形态照片

图1和图2分别为用光学显微镜(20倍)和SEM(4 000倍)采集的壳聚糖纤维横截面和纵向形态照片。可以看出，壳聚糖纤维的纵向表面粗糙，有些许沟槽;横截面近似椭圆形，没有明显的皮芯层结构。这是由于在壳聚糖纤维湿法纺丝过程中，一般采用氢氧化钠水溶液作为凝固浴，氢氧化钠与乙酸的传质通量比小，固化速率缓慢，大分子的凝固和聚集较温和，有利于纤维固化成形，使得形成的初生纤维截面近似圆形［2］。此外，氢氧化钠具有很强的渗透纤维芯层的能力，使得纤维内外层结构趋于一致，不易形成皮芯层结构［3］。因此，壳聚糖纤维的硬挺度较三角形截面的纤维低，且纤维的扭曲趋势不明显，相互间的接触概率高，摩擦作用也较强。

2.2 壳聚糖纤维的理化性能

2.2.1 长度

壳聚糖纤维切断长度为38 mm，排列整齐，因此在同样梳理成网工艺条件下易于控制，纤维成网的均匀度好。

2.2.2 线密度

壳聚糖纤维试样的线密度为l.33 dtex。由于纤维线密度小，梳理的效果好，成网的均匀性较好，梳理强度相对较低，因而能减少在梳理过程中产生的纤维断裂和损伤问题，制得的非织造材料体积密度大、强度高、手感柔软。同时，纤维的线密度小，水刺缠结的效果好，在加固过程中单位面积内的纤维根数就多，从而纤维间的接触点增加，纤维间的缠结效果和相对滑移阻力也增加［4］。

2.2.3 力学性能

壳聚糖纤维、粘胶纤维和聚酯纤维的力学性能测试结果见表1。图3是三种纤维的拉伸曲线。

表1 三种纤维的力学性能测试结果

由表1和图3可知:壳聚糖纤维的干态断裂强度与粘胶纤维接近，比聚酯纤维小;断裂伸长率远小于粘胶纤维和聚酯纤维;初始模量远大于粘胶纤维和聚酯纤维。由于壳聚糖纤维的模量较大，刚性较大，纤维表面平直，在梳理过程中纤维间的抱合力较差，从而直接影响成网的均匀性和落纤率的大小。另外，壳聚糖纤维的强度和伸长率较小，给壳聚糖纤维的水刺加工增加了技术难度。

图3 拉伸曲线

2.2.4 回潮率

图4是壳聚糖纤维和粘胶纤维的吸湿平衡曲线。壳聚糖纤维的回潮率在12.86%左右，粘胶纤维的回潮率在12.09%左右，这是由于粘胶纤维与壳聚糖纤维的结构类似，并且纤维表面都有些许沟槽，沟槽对空气中的水蒸气有很好的吸附作用，因此粘胶纤维与壳聚糖纤维的回潮率接近。由于壳聚糖纤维中的氨基和羟基都具有高亲水性，且其电荷、极性基密度大，又是采用湿法纺丝方法制得，在纤维上形成了微孔结构［5］，从而具有超强的保湿能力。由于壳聚糖纤维具有较高的吸湿性，有利于纤维间的缠结，可提高最终产品的力学性能和舒适性。

图4 吸湿平衡曲线

2.2.5 摩擦性能

试验测得壳聚糖纤维、粘胶纤维和聚酯纤维与钢辊间的动摩擦因数分别为 0.72、0.36 和 0.75。与钢辊之间的动摩擦因数，壳聚糖纤维和聚酯纤维接近，远大于粘胶纤维，因此壳聚糖纤维之间的抱合力较大。由于壳聚糖纤维截面近似圆形，纤维相互之间的接触概率较高，抱合力较大，因此壳聚糖纤维的接触面积相对较大，摩擦因数也较大，使纤维滑脱阻力大，有利于提高壳聚糖纤维产品的强度［6］。但是，摩擦因数过大，易产生静电和静电积聚，影响梳理成网的正常进行，所以应预先调节温湿度来减少静电的产生。

2.2.6 卷曲性能

三种纤维的卷曲性能见表2。壳聚糖纤维的卷曲数和卷曲率明显低于粘胶纤维和聚酯纤维，这是因为壳聚糖纤维的刚性大，不易形成卷曲。用肉眼观察，即可发现壳聚糖纤维的卷曲数很少，且卷曲小。在梳理过程中，因为纤维的卷曲少，会直接降低纤维在开松、梳理及成网过程中针齿对纤维的握持能力，也会减小纤维间的抱合力及摩擦力，成网时容易产生破网，成网的均匀度较差，给梳理成网带来困难;在水刺加固过程中，由于壳聚糖纤维的卷曲少，减少了纤维间的滑移阻力，会影响纤维间的缠结效果，使得最终的水刺非织造材料的强度较低，弹性较小。

表2 三种纤维卷曲性能比较

2.2.7 电学性能

图5是壳聚糖纤维与其他纤维质量比电阻(ρm)的比较图。壳聚糖纤维的质量比电阻略高于粘胶纤维，但明显低于聚酯纤维。考虑到纤维的可加工性，壳聚糖纤维的质量比电阻较大，在实际生产加工中要对纤维进行适当的抗静电处理，可通过提高车间的湿度和使用抗静电剂来减小静电对成网加工产生的不良影响。

2.2.8 溶胀性

将壳聚糖纤维和粘胶纤维分别在水中浸没10、20、30和40 s后观察其直径变化，结果如图6所示。由于壳聚糖纤维和粘胶纤维表面都有凹槽，具有微孔结构，在浸没的前20 s内两种纤维膨胀较明显;浸没20～40 s，壳聚糖纤维的直径略有增大，但不是很明显，而粘胶纤维的直径没有明显变化。在水刺加固中，壳聚糖纤维的吸湿膨胀增加了迎水面积，提高了水针带动纤维的效率，并且其抗弯模量和弹性回复率下降，伸长率略有上升，这些都有利于水刺缠结。

图5 壳聚糖纤维与其他纤维质量比电阻比较

图6 单纤维吸水过程中纤维直径与时间的关系曲线

2.2.9 耐酸性

壳聚糖的糖残基上有羟基，可与各种酸和酸的衍生物发生酯化反应。壳聚糖在酸性溶液中，加热到100℃时能充分水解生成葡萄糖胺盐酸盐，在较温和的条件下可得到多种低聚糖的混合物。因此，壳聚糖纤维可溶于稀的盐酸、硝酸等无机酸和大多数有机酸，不溶于稀的硫酸和磷酸。

2.2.10 耐碱性

壳聚糖纤维分别在60℃不同浓度的氢氧化钠溶液中处理60 min，氢氧化钠溶液的浓度分别为1、2和3 mol/L，壳聚糖纤维的断裂强力和断裂伸长率随氢氧化钠溶液温度变化的关系曲线分别见图7和图8。壳聚糖纤维的断裂强力和断裂伸长率随氢氧化钠溶液浓度的增加而降低。这说明氢氧化钠溶液对壳聚糖纤维有一定的腐蚀作用，浓度越高，腐蚀作用越强。

图7 壳聚糖纤维断裂强力随氢氧化钠溶液浓度变化的关系曲线

图8 壳聚糖纤维断裂伸长率随氢氧化钠溶液浓度变化的关系曲线

3 结论

(1)壳聚糖纤维具有近似圆形的横截面，与钢辊间的动摩擦因数较大，吸湿性很大，这些性能都有利于水刺缠结。

(2)壳聚糖纤维的卷曲数少，初始模量较大，刚性大，对纤维加工工艺有一定影响。在梳理成网过程中会直接降低针齿对纤维的握持能力，也会减小纤维间的抱合力和摩擦力，成网时容易产生破网;在水刺加固时，纤维间的滑移阻力减小，会影响纤维间的缠结效果。

(3)为提高纤维的强力和卷曲回复性能，壳聚糖纤维的成纤工艺还需要进一步改进。

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

［2］沈德兴，郯志清，孙瑾，等.甲壳胺纤维的结构与性能［J］.中国纺织大学学报，1997，23(1):63-69.

［3］李达，马建伟.壳聚糖纤维的生产现状及展望［J］.现代纺织技术，2009(3):66-68.

［4］浦松丹，李洪.水刺非织造布对纤维原料性能的要求［J］.产业用纺织品，2001，19(9):18-21.

［5］钱清.甲壳质纤维的制备及应用［J］.合成技术及应用，2001，16(3):29-31.

［6］柯勤飞，靳向煜.非织造学［M］.上海:东华大学出版社，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，在读硕士研究生。主要从事生物医用非织造材料的研究工作。