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壳聚糖纤维制备的新方法和性能表征
李友良,王征科,张雨菲,,孙永富,胡巧玲**
浙江大学 教育部高分子合成与功能构造重点实验室 生物医用大分子研究所 浙江 杭州 310027
摘要:壳聚糖具有很好的成纤性,目前国内外多采用酸溶液湿法纺丝制备壳聚糖纤维。但是壳聚糖在酸体系中极不稳定,造成分子量急剧下降和多分散,导致壳聚糖纤维力学性能下降。通过壳聚糖与水的作用研究发现:壳聚糖含有大量的亲水基团,能吸收大量的水,其中大部分的水是以自由水的状态存在。在壳聚糖材料中存在的自由水能冷冻结冰,比自由水体积增大10%,由冰的体积增大而破坏了壳聚糖分子间的氢键,使壳聚糖的结晶度大大下降。因此,本论文选用高分子量壳聚糖为原料,将壳聚糖在碱性水溶液中充分溶胀后经冷冻爆破制得碱性的壳聚糖纺丝液,经湿法纺丝成纤,制得壳聚糖纤维。FTIR结果表明,该壳聚糖纤维与原料的结构一致,确保了壳聚糖的优异性能。SEM显示,壳聚糖纤维具有光滑的表面和致密的结构。力学性能结果显示,纤维拉伸强度可达1.38cN.dtex-1,断裂伸长率为15.2%,而用酸溶液制备壳聚糖纺丝液所得壳聚糖纤维拉伸强度为1.15 cN.dtex-1,相比提高了20.0%。
关键词:壳聚糖 氢氧化钠 冷冻爆破 拉伸强度
壳聚糖纤维制备的新方法和性能表征
李友良,王征科,张雨菲,孙永富,胡巧玲
浙江大学 教育部高分子合成与功能构造重点实验室 生物医用大分子研究所 浙江 杭州 310027
关键词:壳聚糖 氢氧化钠 冷冻爆破 拉伸强度
壳聚糖具有良好的生物相容性和生物降解性,其降解产物不会给环境带来污染,是环境友好材料[1,2],并且壳聚糖纤维具有天然的药物活性——壳聚糖纤维具有广谱抗菌、抗菌效率高和无毒等优点 [3]。目前国内外多采用酸溶液湿法纺丝制备壳聚糖纤维,但是壳聚糖在酸体系中极不稳定,会发生急剧降解,造成分子量降低和多分散性,导致壳聚糖纤维力学性能较差,使其应用受阻。张丽娜老师成功地用碱/尿素溶剂体系溶解了纤维素,并以此作纺丝液成功制备了一种新型的纤维素纤维壳聚糖在化学结构上与甲壳素和纤维素极为相似理论上碱液也应对壳聚糖具有溶解性。通过壳聚糖与水的作用研究,发现水在壳聚糖材料中存在三种不同状态,其中自由水能冷冻结冰,使自由水体积增大10%,破坏了壳聚糖分子间的氢键,使壳聚糖的结晶度大大下降。以此为据,本实验选用高分子量壳聚糖为原料,经充分溶胀后采用冷冻爆破制备壳聚糖纺丝液[5,6],采用湿法纺丝进行成纤,即将纺丝液注入H2SO4/乙醇凝固浴中凝固,经过拉伸取向、热处理得壳聚糖纤维。建立起一种制备壳聚糖纤维的新方法、新技术,提高壳聚糖纤维的力学性能,可拓宽壳聚糖纤维的应用。
冷冻爆破法制备壳聚糖纤维:取9g氢氧化钠,8g尿素,溶解于80g水中,将3g壳聚糖常温下浸入其中3h,将溶胀液在-60℃冷冻4h,然后在室温下解冻,得壳聚糖溶液;壳聚糖溶液经过滤,并用离心机脱泡,制得壳聚糖纺丝溶液;将壳聚糖纺丝溶液注入温度为30℃的H2SO4/乙醇凝固浴中凝固沉析生成初纤维,经30℃下水洗拉伸后,于30℃烘箱中干燥,即得壳聚糖纤维。
通过FTIR、SEM及万能实验机对壳聚糖纤维结构、形貌和力学性能进行表征和测试。
Figure1. FT-IR of raw chitosan (1)and chitosan fiber(2)
由图1红外图谱可看出:壳聚糖原料与壳聚糖纤维氢键区波数均在3350-3550(cm-1),酰胺I波数均在1654(cm-1)酰胺II波数均在1557(cm-1)酰胺III波数均在1375(cm-1) A the surface of the filament fiber B the cross section of the filament fiber Figure2. The SEM images of the surface and cross sections of the filament fiber
由图2壳聚糖纤维的SEM照片可以看出:所制备的壳聚糖纤维具有相当光滑的表面(A)和致密的内部结构(B)。一方面说明了该方法能制备出表面光滑的壳聚糖纤维,另一方面光滑的表面和致密的结构也为纤维具有良好的力学性能提供了保障。
壳聚糖溶液浓度(wt%) 使用溶剂 纤维拉伸强度(cN/dtex) 纤维伸长率(%) 3.0 2.0%乙酸 1.15 10.65 3.0 9.0 %NaOH/ 8.0%urea 1.38 12.20 Table1. The mechanical properties of two kinds of chitosan fibers
由表1壳聚糖溶剂与所得纤维力学性能之间的关系可知,同样质量浓度的壳聚糖乙酸溶液所制备的壳聚糖纤维拉伸强
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