增强改性海藻酸纤维的制备及其结构与性能研究

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经湿法纺丝法制备的海藻酸纤维具有高吸湿性和优异的生物降解性,可作医用敷料、传输药物的载体、美容面膜及金属离子吸附材料,已在医疗、美容护肤、纺织及工业等领域得到广泛应用。但由于海藻酸纤维中蛋壳结构的特殊性,造成其强力较低,海藻酸纤维钙离子在盐溶液中易与钠离子发生离子交换,耐盐性较差,限制了海藻酸纤维的广泛应用。为提高海藻酸纤维的强度,本文通过物理共混及化学交联法对海藻酸纤维进行改性,探究不同工艺条件对海藻酸纤维力学性能的影响,并通过红外光谱仪(FTIR)、X-衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、热重分析仪(TGA)等对改性海藻酸纤维进行结构表征及性能测试。研究内容主要包括以下3个部分:(1)羟丙基纤维素(HPC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)改性海藻酸纤维的制备将具有良好水溶性与成膜性的HPC及HPMC与海藻酸钠(SA)进行物理共混,制备了不同共混比例的HPC、HPMC改性海藻酸纤维。红外谱图显示改性海藻酸纤维缔合羟基伸缩振动峰较海藻酸纤维向高波数移动,表明HPC、HPMC与海藻钠钙大分子之间缔合氢键增强。改性海藻酸纤维XRD谱图中新峰的出现和旧峰的消失证明了改性海藻酸纤维各组分之间存在相互作用,改变了海藻酸纤维原本的晶形结构。SEM显示:改性海藻酸纤维表面条纹变宽,沟槽加深,断面出现越来越多不规则的锯齿状条纹,纤维表面及断面粗糙度明显增加。HPC、HPMC改性海藻酸纤维的热稳定性与吸水性较海藻酸纤维均得到改善。添加一定量的HPC、HPMC可改善海藻酸纤维的力学性能,当HPC相对量分别为4%、8%时,HPC改性海藻酸纤维断裂伸长率与断裂强度达到最大值;当SA与HPMC比例为9:1时,HPMC改性海藻酸纤维断裂伸长率达到最大值而断裂强度略有下降。(2)戊二醛交联海藻酸纤维及HPC改性海藻酸纤维的制备戊二醛为反应高效的醛类交联剂,在盐酸的催化下戊二醛与海藻酸纤维及HPC改性海藻酸纤维(F4)发生化学交联反应,制备了戊二醛交联海藻酸纤维和HPC改性海藻酸纤维,以进一步增强纤维强度。探究了戊二醛浓度及交联时间对交联纤维力学性能的影响。交联海藻酸纤维红外光谱中-CH2伸缩振动峰的出现,证明了戊二醛与海藻酸纤维交联反应发生。由交联纤维力学性能确定戊二醛交联海藻酸纤维与HPC改性海藻酸纤维的最佳制备条件为:交联温度为45℃,pH为4~5,戊二醛的体积分数为8%,交联时间为2 h,此时交联纤维断裂强度达到最大。交联海藻酸纤维与交联HPC改性海藻酸纤维断裂强度分别提高73%和106%,但断裂伸长率有所下降。XRD谱图中交联海藻酸纤维衍射峰强度增加,交联纤维晶相含量增加,海藻酸纤维的结晶性能改善。SEM显示交联纤维表面与断面粗糙度均增加。TG曲线显示交联纤维5%热失重温度均高于未交联纤维,证明了戊二醛交联纤维热稳定性提高。交联海藻酸纤维在盐溶液中的溶胀度明显低于海藻酸纤维,交联纤维耐盐性提高。(3)BTCA交联海藻酸纤维的制备以BTCA为交联剂对海藻酸纤维进行化学交联,制备了BTCA交联海藻酸纤维。探究了BTCA浓度及交联温度对海藻酸纤维羧基量、-COOH转化率及纤维力学性能的影响。实验结果表明,升高温度及适宜的BTCA浓度有利于BTCA酯化海藻酸纤维反应的进行。最佳酯化条件为:温度为160℃,BTCA浓度为1%,交联时间为3 min,此时交联海藻酸纤维断裂强度达到最大值,较未交联海藻酸纤维提高了82%。
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