壳聚糖纺丝原液性能及其成纤性能的研究*

颜晓菜 何 勇 黄 胜 梁列峰

(1.西南大学纺织服装学院，重庆，400715;2.重庆市纤维检验局，重庆，401121)

甲壳素主要来源于虾、蟹、昆虫等甲壳类动物，年自然产量仅次于产量居首的纤维素，是自然界中唯一存在的碱性多糖［1］。壳聚糖是甲壳素经浓碱高温处理后，脱N-乙酰后的产物，化学结构与纤维素相似。壳聚糖无毒，可被生物降解，具有显著抑制真菌繁殖等作用，广泛应用于医药、农业、轻纺、功能材料等方面［2-6］。壳聚糖纤维可用于医用吸收性手术缝合线、医用棉、医用敷料和高级服装材料等。壳聚糖分子的本体立构规整性和较强的分子间氢键，在多数有机溶剂、水、碱中难以溶解。目前对壳聚糖纤维的开发多采用共混纺丝法，纯壳聚糖纤维的报道相对较少［7-11］。壳聚糖在稀酸溶液中是阳离子聚电解质，其溶液性质同普通高分子溶液有较大差异，并会影响纤维的性能，所以有必要研究壳聚糖纺丝原液的性能。本试验希望通过研究壳聚糖纺丝原液性能及后期成纤工艺的改进，如纺丝原液浓度、纺丝温度、凝固浴浓度等因素，制备较理想的纯壳聚糖纤维。

1 试验部分

1.1 仪器和材料

JA-2003A型电子天平(0.000 1 g);HDI-3型恒温磁力搅拌器(上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司);医用注射器;NDJ-8S型数字显示黏度计(上海精密科学仪器有限公司);Y802N型八篮恒温烘箱(南通宏大试验仪器有限公司);HH-4型数显恒温水浴锅(常州澳华仪器有限公司)。

壳聚糖(浙江澳兴生物技术有限公司);冰乙酸(重庆北碚化学试剂厂);无水乙醇［庆川东化工(集团)有限公司］。

1.2 试验方法

①分别配制不同质量浓度的壳聚糖纺丝原液，常温下静置脱泡，观测其黏度随时间的变化，研究其稳定性;②观测不同质量浓度壳聚糖纺丝原液黏度随温度的变化规律，以确定纺丝温度;③通过壳聚糖质量浓度、凝固浴中的氢氧化钠质量浓度、纺丝温度、凝固温度四个因素的正交试验，观测各个初生纤维表面形貌，从而确定纺丝工艺路线。

2 结果分析

2.1 不同质量浓度壳聚糖纺丝液的稳定性

图1为三种不同质量浓度的壳聚糖纺丝原液(用体积分数3%乙酸水溶液配制)在常温(20℃)下放置的黏度变化情况。在20℃，三种质量浓度的壳聚糖纺丝原液都比较稳定，黏度曲线基本上平稳，且随着壳聚糖质量浓度的提高，其黏度有较大升高，尤其当质量浓度上升到0.05 g/mL时，黏度增加更大。这是因为壳聚糖在酸溶液中会有一定程度溶胀，质量浓度大时，甚至会形成冻胶。所以在壳聚糖纺丝过程中，对于中等黏度的壳聚糖也只能配制成质量浓度小于0.05 g/mL的溶液。

图1 放置时间对壳聚糖纺丝原液黏度的影响

2.2 不同温度条件下壳聚糖纺丝原液的黏度变化

图2为两种不同质量浓度的壳聚糖原液，在不同的温度条件下，其黏度变化情况。由图2可知，两种质量浓度的壳聚糖原液随着温度的升高，其黏度都有较大的变化，总体呈下降趋势，符合一般高聚物黏度随温度的变化规律。且图2中反映出在20～30℃条件下，黏度变化较小，说明在该温度区间内，壳聚糖纺丝液的稳定性较好，所以纺丝温度应选择20～30℃为宜。

2.3 正交试验分析

本试验选择对壳聚糖成纤性影响较大的四个因素：壳聚糖质量浓度(A)，凝固浴中NaOH质量浓度(B)，纺丝温度(C)，凝固浴温度(D)。参照正交试验表，设计了一组L9(34)试验，以10%～90%来表征初生纤维的成纤效果，如表1所示。

图2 不同质量浓度的壳聚糖纺丝原液黏度随温度的变化

表1 壳聚糖纤维正交试验表

利用“正交试验设计助手”对试验结果进行分析，得到各因素对试验指标的影响程度。取均值最大时，可得到壳聚糖纺丝成型的最佳工艺组合为：A3B1C1D2。同时根据极差分析可知，影响壳聚糖湿法纺丝成型的因素排序为：A＞B＞C=D。

图3和图4分别为正交试验中5号和7号样品实物。图中可明显看出，7号试验所制得的初生纤维表面较为平滑，纤维连续性好，条干均匀，而5号试验所制得的初生纤维则有较多断丝，纤维连续性较差，纤维粗细不一。

图3 7号试验样品

图4 5号试验样品

3 结语

壳聚糖纺丝纤维的结构稳定性受工艺的影响，主要是纺丝原液质量浓度、凝固浴NaOH质量浓度、纺丝原液温度及凝固浴温度等。通过对这几个因素的正交试验，得到壳聚糖成纤的最佳工艺组合为：壳聚糖质量浓度0.05 g/mL，凝固浴中NaOH质量浓度0.15 g/mL，纺丝原液温度20～25℃，凝固浴温度25℃。

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