海藻纤维的性能及应用研究现状

孙晓婷

(青岛大学纺织学院，山东青岛266071)

海藻纤维是指从海洋中的一些棕色藻类植物中提取出的海藻酸为原料而制得的纤维。目前，最常用的原料是海藻酸钠，分子式为(C6H7O6Na)n，n=80 ～750，由 β-D-甘露糖醛酸(简称 M)和 α-L-古罗糖醛酸(简称G)两种组分通过1，4键结合而成，两种组分在分子链中的排列极不规则，中间以交替MG和多聚交替(MG)n相连接(如图1)。［1］

图1 海藻酸钠的结构

图2 G单元与Ca2+形成的“蛋盒”结构

海藻纤维通常采用湿法纺丝制备，以氯化钙作为凝固浴，从化学角度来看，其成形过程是指水溶性的海藻酸钠转变成不溶于水的海藻酸钙的过程。海藻酸钠可溶于水中形成具有一定粘度的粘稠状溶液，经过喷丝孔挤出到凝固浴中，G单元上的Na+与凝固浴中的Ca2+发生离子交换反应，形成“蛋盒”结构(如图2)，逐渐堆积形成复杂的交联网络结构，转变成水凝胶纤维析出，形成不溶于水的海藻酸钙长丝，再经拉伸、水洗、干燥、卷绕成海藻纤维［2－3］。纤维粗细均匀，纵向表面有沟槽，横向截面呈不规则锯齿状。海藻纤维作为一种新型生物可降解再生纤维具有许多优良特性，且资源丰富，已广泛应用于医药、纺织、印染、食品、造纸、废水处理等领域，具有巨大的发展潜力。

1 海藻纤维的性能

1.1 高吸湿、保湿性

海藻纤维大分子中有大量羧基和羟基等亲水性基团，吸水性较强，而且大分子中无定形区较大，纤维膨润性好，可以吸收20倍于自己体积的液体。纤维在与皮肤接触时，可以释放维生素和矿物质，还可以调和空气中的水分，具有高保湿性，织物穿着凉爽，起到美容保健的作用。［4］

1.2 高透氧性

海藻纤维吸湿后可转变成水凝胶，亲水基团上附着的“自由水”提供氧气传递的通道，空气中的氧气经过吸附、扩散、解吸过程，进入到伤口组织内;另外，海藻酸纤维大分子链上的高G单元也可供氧气透过。［5］

1.3 远红外与负离子功能

海藻炭纤维是将海藻炭的炭化物粉碎成超微粒子后，添加到其他成纤高聚物溶液中加工而成的纤维。这种纤维纺成的纱线具有远红外放射功能及负离子功能，能加速血液循环，消除体内有害物质，促进新陈代谢，并能使人体内分子摩擦产生热反应，具有蓄热保温效果;通过纤维中的负离子可以激发空气中的氧气、水分产生负氧离子，营造出一种大自然的环境，给人以舒适之感。［6］

1.4 金属离子吸附性

海藻纤维中存在－OH、－COO－等基团，能与多种金属离子形成配位化合物。当金属离子含量达到一定程度时，离子间结合能力增强，足以克服其间的静电斥力作用，形成导电链，使织物具有电磁屏蔽性能以及抗静电性，尤其对于低频电磁波电磁屏蔽效果非常好。

1.5 阻燃性

海藻纤维的极限氧指数为34.4，属难燃纤维，在空气中离开火焰随即熄灭。一方面，纤维中含有的大量羟基和羧基，在加热时发生脱水环化，极大地提高了海藻纤维热裂解时的温度和炭化程度，抑制热裂解的反应进程，起到阻燃作用;另一方面，纤维在热分解过程中释放大量CO2和水，水分子汽化吸收热量，降低纤维表面温度，同时生成的CO2稀释了可燃性气体的浓度，达到阻燃效果。［7］

1.6 生物相容性和可降解性

海藻纤维中含有多种氨基酸，具有良好的生物相容性，其含有大量的Ca2+，可与血液中的Na+进行离子交换，可在伤口上形成一层水溶性的海藻酸钠水凝胶，可使氧气透过，阻挡细菌的进入;有助于伤口凝血、吸除伤口过多的分泌物，并可为细胞提供一种湿润的复愈环境，保持伤口维持一定的湿度，加快了表皮细胞的繁殖速度，有利于保持细胞活性，促进生长因子的释放，从而增进愈合效果。同时，海藻纤维具有可生物降解性，废弃物在微生物作用下极易分解为CO2和H2O，不会对环境造成污染，织物穿着舒适、卫生、环保。

1.7 其他性能

海藻中含有脂类、萜类、酚类、多糖类、卤化物等多种抗菌活性物质，海藻纤维织物对革兰氏阳性菌和阴性菌均具有较好的抑菌性，且易溶于碱性溶液中。［8］

海藻纤维还具有较好的易去除性，将其制成敷料贴敷于伤口表面，当海藻纤维与组织渗出液接触后，会形成一层柔软的水凝胶，不会黏连伤口。在伤口愈合过程中，高G段海藻纤维膨化较小，可以将其整片拿掉;而对于高M段海藻纤维，可采用温盐水溶液将其去除，极大地保护了伤口周围的新生组织。［9］

2 海藻酸盐及纤维的应用［10］

2.1 纺织中的应用

海藻酸钠是活性印花染料中使用最广的增稠剂，在碱性环境中，大分子中的羧基发生电离带有负电荷，与染料中的阴离子产生斥力作用，促使活性染料从增稠剂中转移到织物上，从而得到较好的染色效果。在后道清洗过程中，海藻酸钠易于清洗，染料损失较少;花纹清晰、鲜艳，织物手感柔软，适用于棉、羊毛、丝、合成纤维等多种织物的印花。

海藻纤维可以用于制作毛巾、服装等，在纺丝前，可通过对海藻酸钠进行改性处理以改善面料的保暖性、柔软性等，是一种新兴的生物质纺织材料，应用前景十分广阔。

2.2 食品中的应用

海藻酸盐在食品中的应用由来已久，公元前600多年，人类就开始食用海藻。随着研究的不断深入，科学家们发现，海藻不仅是一种低热量、低脂肪而又利于健康的保健食品，从海藻中提取的海藻酸钠也是一种优良的食品添加剂，具有独特的增稠性、乳化性、稳定性、悬浮性、成膜性以及凝胶特性，应用于饮料、面点及各种肉制品中，能显著改善食品的物理性能或组织状态，且不参加体内代谢，无过敏反应，不会影响食品的颜色和味道。

低浓度的海藻酸钠还可作为仿生食品的原料，生产人造海蜇丝、人造葡萄、人造皮蛋、仿生鱼翅等，其外形、口感、营养价值等毫不逊色于天然食物。由于海藻酸钠具有良好的成膜性，可用其生产可食性食品包装膜。［11］

2.3 废水处理中的应用

人类的生产生活以及工业废水中常产生大量的有毒重金属离子(如铅、汞、镉、钴等)，它们会被直接排入大气、土壤、水中，以各种化学形态存在，无法被生物降解，在进入生态系统后就会积累和迁移，造成环境污染和资源浪费，严重危害人类的生存和发展。

海藻纤维大分子链中含有大量的羟基和羧基，是一种聚阴离子化合物，G单元对重金属离子具有较强的络合能力，形成稳定的“蛋盒”结构。因此，海藻纤维常被用作废水的吸附剂。而且，海藻纤维吸附重金属离子后能够保持纤维原有的形状，且可用酸对吸附重金属离子后的纤维进行处理，以便于回收利用，既可减轻环境污染，又可降低成本。

2.4 生物医学中的应用

海藻纤维在医学上主要被用作医用敷料，纤维在与伤口上的脓血接触后，血液中的钠离子与纤维中的钙离子发生离子交换反应，大量的钠离子与水分进入纤维使其由纤维状变成水凝胶状，由于凝胶具亲水性，可使氧气通过、阻挡细菌，促进新组织的生长。在更换或移除敷料时不会产生粘连，减少病人伤口的不适感，从而给伤口提供一个潮湿的复愈环境。［12－13］

3 功能性海藻纤维

虽然海藻纤维具有很多优良特性，但由于纯海藻纤维强力较低，纺丝困难，使其应用受到极大限制。因此，近年来国内外学者对其进行大量研究，在保持海藻纤维原有性能的基础上，附加许多其他功能，进一步扩大其应用范围。

3.1 高吸湿海藻纤维

海藻纤维吸湿性的好坏取决于纤维中G单元与M单元的比例。其中，M单元与金属离子可形成离子结合，大量Ca2+被Na+取代，使纤维具有较好的吸湿性;而G单元和金属离子主要形成配位和整合结构，与钠离子发生交换的比例较小，吸湿性较差。［14］因此，大分子链中G单元的比例越高，纤维吸湿性越好。现阶段研究的高吸湿海藻纤维，主要是对海藻酸进行改性或将其与其他高吸湿原料进行共混纺丝，赋予纤维极高的吸湿性。

3.2 远红外海藻纤维

从纤维结构上来说，远红外纤维可分为两类:一种是将远红外粉末均匀地分散在成纤聚合物截面上的单一组份纤维;另一种是具有一个或多个芯层结构的远红外复合纤维。远红外海藻纤维是指在室温下将远红外陶瓷粉末直接加入到海藻酸钠纺丝液中，在分散剂的作用下使其均匀分散，然后采用湿法纺丝工艺制备出永久性远红外海藻纤维。

3.3 抗菌除臭海藻纤维

抗菌除臭海藻纤维的制备主要是通过在海藻纤维纺丝液中添加抗菌剂(如金属银离子、壳聚糖、芦荟等)和对皮肤刺激性较小的香精、植物提取物等，制得的海藻纤维在具有较好抗菌性的同时可以掩盖住身体或环境中异味，使人们感觉不到异味的存在。

德国的AlceruSchwarza公司以Lyocell纤维的生产制造工艺为基础，在其纺丝溶液中加入很细的海藻粉末与抗菌剂成分予以抽丝制备出一种具有抗菌功能的SeaCell海藻纤维，能缓慢释放银离子，持久提供抗菌功能;秦益民等［15］将不溶于水的银化合物颗粒添加到海藻酸钠纺丝液中，湿法纺丝制得高吸湿抗菌海藻纤维，在服装穿着、洗涤过程中纤维性能不会受到任何影响。

3.4 相变调温海藻纤维

相变调温海藻纤维是在海藻酸钠纺丝溶液中添加相变微胶囊作为调温剂，形成混合纺丝液，然后采用常规湿法纺丝工艺制取相变调温海藻纤维。该纤维具有双向温度调节作用，可防止冻伤，也可用作医用敷料，促进伤口愈合，还可用于制备烧伤病人服装等。展义臻等［16］采用液体石蜡制备了一种相变微胶囊，将其添加到海藻酸钠纺丝液中进行共混纺丝制备出具有温度调节作用的相变调温海藻纤维

3.5 电磁屏蔽海藻纤维

随着科学技术的飞速发展，手机、电脑等高科技产品已成为人们生活中不可或缺的工具，但这些电子产品在使用时会发射大量电磁波，严重影响人体健康，因此，如何开发出具有电磁屏蔽效应的服装面料成为纺织行业研究的热点。近年来，有研究学者发现了海藻纤维织物在防电磁辐射方面的显著作用，并逐渐受到重视。原因可能是由于海藻酸大分子中存在G单元结构以及－COO－、－OH等多种活性基团，它们都可以螯合金属离子，形成稳定的化合物。同时，在纤维基质中存在许多离子，随着其含量的增加，离子之间的结合力逐渐增强，当结合力达到一定程度时足以克服离子间的静电斥力作用，使其相互之间可以连接形成导电粒子链，从而赋予织物电磁屏蔽效能。［17］

3.6 阻燃海藻纤维

海藻纤维可阻燃的原因在于海藻酸大分子独特的结构性能，以及纤维中含有较多钙离子的作用。一方面，纤维燃烧时释放出大量不燃性的CO2降低了可燃性气体的浓度;另一方面由于钙离子的存在，纤维燃烧时可能会生成CaO或CaCO3等沉淀覆盖在纤维大分子表面，在两者共同的作用下，阻燃效果明显。张传杰等［18］对海藻酸钙纤维进行阻燃性能测试，实验表明:虽然纤维在燃烧过程中热量的释放速率较慢、总放热量也较少，但是生成二氧化碳的速率比较高，极大地稀释了可燃性气体的浓度，因此具有较好的阻燃性能。

4 前景展望

海藻纤维作为一种生物质高分子材料，近年来得到越来越多的关注。我国拥有丰富的海藻资源，已成为海藻纤维的生产大国。相信在不久的将来，通过各界专家学者的进一步努力，我国必将在海藻纤维的研究、开发和生产中更上一层楼，人们的生活将会与海藻纤维有着更为密切的联系。

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