交联壳聚糖的干湿法纺丝工艺研究

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壳聚糖是自然界中唯一带正电的碱性高分子多糖,年自然产量仅次于纤维素,是一种生态环保的可再生资源。壳聚糖具有良好吸附性、成膜性、成纤性、吸湿性和保湿性,被广泛应用于生物医学领域和高档纺织品的制造。其纤维除可以直接用于衣用纤维以外,还可广泛应用于可吸收性手术缝合线、组织工程载体、医用敷料的制备等方面,但是目前壳聚糖纤维强度过低,极大的限制了其使用范围。因此对通过改进纺丝方法、化学改性等方式提高壳聚糖纤维的机械性能成为研究的重点。本研究利用干湿法进行纺丝,并在纺丝液中添加环氧氯丙烷,进一步制备交联壳聚糖纤维,以期改善纤维的力学性能。为此首先研究了壳聚糖纺丝原液的性能,并分析了添加尿素后,对壳聚糖溶液的影响;在纺丝过程中增加空气层,使壳聚糖经喷丝口挤出后,进入凝固浴之前得到充分的轴向拉伸,提高纤维的取向度,从而改善纤维的力学性能;用扫描电镜对纤维样品进行分析,比较不同空气层长度对纤维力学性能的影响;在纺丝液中添加环氧氯丙烷,通过改变环氧氯丙烷浓度、交联时间、交联温度等因素,讨论交联工艺对纤维强度的影响;用红外光谱和X衍射对交联纤维的化学结构、结晶度等进行表征。通过研究,得到以下主要结论:1.对原料的分析显示,本文所用壳聚糖原料,含水率为6.57%,灰分含量为0.65%,脱乙酰度为90.33%,分子量为9.5×104。当壳聚糖质量分数一定时,升高温度、提高乙酸溶剂的体积分数、添加尿素等方式均能一定程度降低纺丝原液的粘度。2.在纺丝原液中添加尿素,能引起壳聚糖分子构象的转变。随着尿素加入量的增加,壳聚糖溶液粘度呈下降趋势,在初期粘度下降较快,随着尿素量增多,粘度下降趋于平缓,随后有所升高。壳聚糖浓度增加时,适当增加尿素添加量,有助于溶液粘度的降低。3.干湿法纺丝有助于形成结构较为致密的初生纤维,通过扫描电镜可知,空气层的存在有助于纤维的轴向拉伸,提高纤维的取向度,减少纤维内部的空隙。以质量分数为6%的壳聚糖溶液作为纺丝液时,最佳空气层长度为4cm,由于轴向拉伸与热运动的同时存在,过高或过低的空气层都不利于纤维强力的提高。4.以6%的壳聚糖作为纺丝原液时,成形的最佳工艺条件为:凝固浴温度20~30℃,凝固浴中NaOH浓度15%,凝固浴组分:15%NaOH+30%无水乙醇,空气层长度4cm。5.纤维的红外光谱分析显示,壳聚糖与环氧氯丙烷的交联反应发生在C6-OH上,交联反应破坏了大分子链的规整性,生成B晶型,结晶度降低。当交联温度在40℃以上时,壳聚糖与环氧氯丙烷之间才开始大量发生交联反应。壳聚糖纤维的最佳交联条件为:环氧氯丙烷浓度为1.0×10-2mol/L,交联时间40min,交联温度40-50℃。6.经过交联后壳聚糖纤维具有良好的吸放湿性能,其中吸湿回潮率为13.09%,放湿回潮率为17.38%,吸湿滞后性为4.29%,远大于棉的1.78%。纤维的吸湿滞后性与吸湿能力有关,一般而言吸湿性好的纤维吸湿滞后性也大,从侧面证明壳聚糖纤维的吸湿性好。7.抗菌实验显示,壳聚糖纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均达到100%,说明交联后壳聚糖纤维仍保持了原有的抑菌性能,能广泛应用于抗菌纺织品的开发。
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