棉短纤/O-羧甲基壳聚糖复合纤维的性能探讨

关立平 和圆圆 董哲英

棉短纤/O-羧甲基壳聚糖复合纤维的性能探讨

关立平 和圆圆 董哲英

通过对棉短纤/O-羧甲基壳聚糖复合纤维性能的测试与分析，探讨了棉短纤/O-羧甲基壳聚糖复合纤维的外观形态、回潮率、拉伸性能、抗菌性能等性能特点。结果表明，复合纤维具有优良的吸湿和抗菌性能，拉伸性能在干、湿态下的性能没有显著差异，能够满足基本的纺织品加工的需要。

棉短纤；羧甲基壳聚糖；复合纤维；性能；抗菌

棉纤维具有良好的抱合性，其废旧产品在二次加工过程中极难通过梳理而达到完全分散，使得最终产品较新棉加工的产品质量有显著的差距。由于加工成本过高，致使生产者所获利益偏低，而消费者又无法获得更大的实惠。而棉短绒由于纤维短，难以通过普通的纺纱工艺获得条干良好且适于纺织后道生产加工的需求[1]。壳聚糖来源于甲壳类生物体，具有良好的抗菌性和生物相容性，其化学结构与纤维素纤维非常相似，通过适当的工艺可以使其与棉纤维进行牢固地粘合。由于羧甲基壳聚糖具有良好的水溶性和其它与壳聚糖相近的性能，使其应用范围更广。用羧甲基壳聚糖将棉短纤粘结成结构均匀的类似于亚麻工艺纤维的复合纤维，使之能够满足纺织生产加工工艺的要求，不仅可以扩大棉纤维原料的使用范围，还可以提高废旧棉纤维的使用价值，具有很高的实用价值。

羧甲基壳聚糖是一种水溶性壳聚糖衍生物，它是一种两性聚电解质，具备了壳聚糖原有的特性。根据羧甲基在壳聚糖大分子上取代部位的不同，可以分为O-羧甲基壳聚糖、N-羧甲基壳聚糖和O，N-羧甲基壳聚糖3种[2]。将棉短切纤维均匀分散于O-羧甲基壳聚糖水溶液的混合液为纺丝原液，以柠檬酸水溶液为凝固浴，通过湿法纺丝工艺可以制得一定线密度的棉短纤/O-羧甲基壳聚糖复合纤维。本文通过对棉短纤/羧甲基壳聚糖复合纤维性能的测试与分析，探讨了棉短纤/O-羧甲基壳聚糖复合纤维的形态结构、吸湿性能、拉伸性能、抗菌性能等与加工和应用有关的性能特点。

1 实验材料

自制棉短纤/O-羧甲基壳聚糖复合纤维，试样如表1所示，试样棉短纤主体长度均为8mm。

表1 试样表

2 实验设备与方法

2.1 实验设备

Motic纤维细度综合分析仪、DXS210A扫描电子显微镜、电子天平、YG747型快速八篮烘箱、YG021DX型电子单纱强力机。

2.2 实验内容及方法

1）形态结构观测:复合纤维的形态结构测试采用显微镜观察法和扫描电镜（SEM）观察法进行，分别观察纤维的表面形态及截面形态。

2）吸湿性能：纤维的吸湿性能用回潮率来表征，回潮率采用烘干称重法[3]进行测试。

3）拉伸性能测试[4]：复合纤维的拉伸性能测试在电子单纤维强力仪上进行，测试条件为温度20℃±2℃，相对湿度65%±3%。在相同条件下测试复合纤维分别在干态和湿态时的断裂强度、断裂伸长率、初始模量及断裂比功。采用GB/T1437（棉）标准进行纤维性能的测定。

4）抗菌性能测试[5]：复合纤维的抗菌性能测试菌种采用最常见的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。定性测试按照AATCC-30标准，用晕圈法进行测试。定量测试参照卫生部消毒技术规范1999年第三版、GB15979、美国AATCC100的抗菌标准，菌种按照AATCC-100标准，采用改良过的烧瓶振荡法进行测试。

3 结果与分析

3.1 形态结构

图1是棉短纤/O-羧甲基壳聚糖复合纤维在光学显微镜下拍摄的截面（a）与纵向外观（b）图。图像显示，棉短纤在复合纤维中，其截面形态基本维持腰圆形的特点，而从其纵向图像来看，棉短纤基本上沿复合纤维的轴向排列。这说明，O-羧甲基壳聚糖复/棉短纤混合液在经过纺丝工艺后，棉短纤的取向已从分散液中的各相同性状态发生了变化，棉短纤在长度方向更趋向于沿复合纤维的轴向排列，有利于提高复合纤维的力学性能，还能够保持棉纤维吸湿保暖的特性。

图2是棉短纤/O-羧甲基壳聚糖复合纤维的扫描电镜照片，图2（b）可以清楚的看到，棉短纤在复合纤维中的排列方式略显混乱，但总体上棉短纤在长度方向上还是更趋向于沿复合纤维的轴向排列，这与其在光学显微镜图片中显示结果相近。而从复合纤维的截面照片来看，棉纤维的截面形态没明显变化，仍旧呈现出腰圆形态，但复合纤维中含有很多孔洞，这主要是因为在纺丝过程中，纺丝射流与凝固浴间有一定的距离，在其进入凝固浴时，会产生一定的气泡，导致复合纤维中存在一定的气孔，这也是图1（b）中复合纤维在凝固浴中存在着一定气泡的原因。复合纤维中存在着气孔会对纤维的力学性能产生一定的负面影响，但对纤维的吸湿保湿性的提高却有很好的促进作用。从图1（b）和图2（b）中还可以看出，复合纤维的表面由于有部分棉短纤伸出，加上O-羧甲基壳聚糖在其上的聚合，使得表面不光滑，这将会影响复合纤维的应用。因此，我们目前正在积极探索，考虑通过物理牵伸、机械整理和化学处理的手段改善纤维的表面光滑度。

图1 复合纤维光学显微镜图

图2 复合纤维的SEM照片

图3 复合纤维回潮率与棉短纤含量的关系图

3.2 吸湿性能

不同棉短纤含量的棉短纤/O-羧甲基壳聚糖复合纤维的回潮率如图3所示。

棉纤维与O-羧甲基壳聚糖大分子都具有大量的亲水基团，均具有较好的吸湿性能，经测试可知，棉短纤的回潮率为7.73，O-羧甲基壳聚糖的回潮率为10.56。复合纤维的回潮率并不随着O-羧甲基壳聚糖含量的增大而增加，反而随着棉短纤含量的增大而显著上升。这主要与复合纤维中存在着大量的孔洞有关。从图2（a）中可以看出，复合纤维中的孔洞主要产生于棉纤维之间，这主要是因为复合纺丝液在聚合凝聚过程中，O-羧甲基壳聚糖的聚合主要是围绕着棉纤维而发生的，在聚合时产生了多个聚合体，而由于聚合，O-羧甲基壳聚糖的体积发生了一定收缩，从而造成了不同聚合体之间出现空隙，而这些间隙则有利于水份的贮存，从而加大了复合纤维的回潮率。当棉短纤含量增大时，O-羧甲基壳聚糖聚合时的聚合体数量增大，从而使孔洞数量增多，增加纤维的吸湿性。同时，虽然棉短纤的主体取向是沿着复合纤维轴向的，但也存在着大量与纤维轴向不平行的纤维分布，这造成了复合纤维内部结构上与水分子的接触面，从而提高了复合纤维对水分子的吸附及转移、贮存，从而增大了其回潮率。

图4 复合纤维的全拉伸曲线

3.3 拉伸性能

复合纤维的全拉伸曲线如图4所示。从图中可以看出，复合纤维的拉伸曲线与纤维增强复合材料的拉伸曲线比较接近。在拉伸初期，复合纤维中聚O-羧甲基壳聚糖发生弹性变形，大分子被逐渐拉直，拉伸强力与伸长率成线性关系，随后，棉短纤开始伸直，聚O-羧甲基壳聚糖结晶逐渐被破坏，纤维内部产生塑性变形，拉伸出现明显的拐点。当聚O-羧甲基壳聚糖结晶结构被完全破坏，则复合纤维主体结构发生断裂，然后拉伸造成的变形以棉短纤的伸直、断裂和滑移为主，拉伸力迅速下降，而断裂伸长率则为断增大。

复合纤维的拉伸性能如表2所示。初始模量的大小表示纤维受较小拉伸力时的抵抗变形能力。断裂比功的大小说明纤维的韧性，当断裂比功大，纤维在拉伸时能吸收较大的能量，要破坏它需作较大的功，也反映纤维的韧性较好，而且耐磨，其制品一般比较坚韧。从表2数据可以发现，复合纤维由于没有经过有效的牵伸，加上纤维结构内部存在着众多的孔洞，使其拉伸性能相对较差，断裂强度偏低，断裂比功也较小，还需要经过进一步的处理才能用于纺织生产加工。但数据也表明，复合纤维在干态和湿态时的拉伸性能比较接近。数据还表明，复合纤维的拉伸性能受各成分含量的影响较小。

3.4 抗菌性能

棉短纤/O-羧甲基壳聚糖复合纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌性能（晕圈法）如图5所示。图示说明，复合纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌效果非常显著，晕圈明显且面积较大。由于O-羧甲基壳聚糖自身具有良好的抗菌性，聚合后仍能保持良好的抗菌效果。

表2 复合纤维的拉伸性能（平均值）

复合纤维的抑菌率如表3所示。从表中可以看出，复合纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有良好的抑菌率，而且，抑菌率对复合纤维中O-羧甲基壳聚糖含量的变化没有明显影响，说明复合纤维中的O-羧甲基壳聚糖含量超过20%后就可以使其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌效果达到良好的效果，进一步提高其含量对复合纤维抗菌性没有实际意义。

图5 复合纤维的抗菌性能图

表3 复合纤维的抑菌率

4 结论

本研究测试了棉短纤/O-羧甲基壳聚糖复合纤维的形态结构、吸湿性能、拉伸性能和抗菌性能，在对测试结果分析的基础上探讨了相应的原因，得出了如下结论：

1）复合纤维中棉短纤基本按轴向排列，其截面形态仍维持腰圆形，但复合纤维中含有大量的孔洞，纤维表面不平滑；

2）复合纤维的吸湿性能要远高于棉纤维和O-羧甲基壳聚糖；

3）复合纤维在干、湿态状况下的拉伸性能没有显著差异，其拉伸强度和断裂伸长率略差，但能满足基本纺织品生产加工的需求；

4）复合纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有良好的抗菌性。

[1]庄小兰.纺织厂废棉及回丝回收利用的措施[J].棉纺织技术，2010，38（2）：64.

[2]吴勇，黎碧娜.羧甲基壳聚糖的制备与应用研究进展[J].香精化妆品，2001，4（2）：17-18.

[3]朱进忠.纺织材料学实验[M].北京：中国纺织出版社，1997.

[4]李汝勤.纤维和纺织品的测试原理与仪器[M].北京：中国纺织大学出版社,1999.

[5]罗伯特D布朗.最新仪器分析技术全书[M].北京：化学工业出版社,1998.

(责任编辑：竺小恩)

中科院公开创新孕妇防辐射面料技术

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Discussion on the Properties of Cotton Linter/O-Carbohydrate Chitosan Composite Fiber

GUAN Li-ping HE Yuan-yuan DONG Zhe-ying

By testing and analyzing the properties of the cotton linter/O-carbohydrate chitosan(O-CMCS) compositefiber,thispaperdiscussestheextrinsicfeature,themoistureregain,thedrawingandtheantibacterial characteristics.The result shows that the composite fiber has good hygroscopicity and antibacterial property and its drawing characteristics make little difference in dry or hygrometric state,which can meet the basic demands of textile processing.

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TB332

B

1674-2346(2014)04-0006-05

10.3969/j.issn.1674-2346.2014.04.002

2014－06－14

宁波市科技局项目《生物质壳聚糖基共混纺丝纤维的研究与应用》[编号2012B82014]

关立平，男，浙江纺织服装职业技术学院，副教授，博士。研究方向：纺织材料与纺织品设计（浙江 宁波 315211）