技术领域
[0001] 本
发明公开了一种壳聚糖纤维的制备方法,属于功能性纤维制备技术领域。
背景技术
[0002] 壳聚糖,又称甲壳胺,是一种线性高分子,具有成纤性,可纺丝性。壳聚糖纤维就是利用甲壳溶液良好的成丝性能而制成的,是一种功能性纤维。壳聚糖纤维具有广谱抗菌、抗菌效率高和无毒等优点;同时又具有
生物可降解性、生物活性和
吸附金属离子的能
力。因此可应用于医用纺织品、保健服装和工业等领域。
[0003] 目前普遍采用
湿法纺丝制备壳聚糖纤维。纺丝的工艺路线一般为:壳聚糖-溶解-纺丝原液-过滤-
脱泡-计量-过滤-纺丝-
凝固浴-拉伸浴-洗涤-干燥-纤维。经过多年的研究和发展,壳聚糖纤维的生产已取得了很大的进步,但仍然存在着一些问题,有待解决。
[0004] 1.壳聚糖纤维的纯度低。纺丝液在凝固浴中形成了初生纤维,初生纤维中存在着
溶剂和凝固剂,大部分溶剂在后面的拉伸浴和洗涤浴中可以被去除,但仍有少许溶剂残留在纤维中,而且为了提高壳聚糖的溶解性和成纤性,纺丝过程中通常使用一些化学助剂,这些助剂在纺丝的后道工序中很难被完全去除。纤维中的溶剂、凝固剂和助剂的存在不但使壳聚糖纤维的成本提高,而且降低了壳聚糖纤维的纯度,限制了壳聚糖纤维在人体可吸收缝合线和人造肾膜等医用领域的广泛使用;2.壳聚糖纤维的可纺性能差。目前国内外的科研机构、高等院校和一些企业为提高壳聚糖纤维的可纺性做了大量的研究。研究表明,通过该井壳聚糖纤维的纺丝工艺,对壳聚糖纤维进行改性处理等方法可提高壳聚糖纤维的强度等可纺性能,但壳聚糖纤维的可纺性仍然很差。壳聚糖纤维仍存在着强度偏低、线
密度偏粗,纤维之间容易粘连,
纺纱中易产生短绒等
缺陷。为克服这些缺陷,壳聚糖纤维可与粘胶纤维、涤纶、丙纶长丝、粘胶长丝和绢丝等纤维混纺,亦可做成
无纺布,但纯纺壳聚糖纤维仍有一定的困难。
[0005] 因此,在减少助剂或者不实用助剂的前提下,如何进一步提高壳聚糖纤维的纯度和性能,增强壳聚糖纤维的可纺性,将是壳聚糖纤维的研究者和生产者亟待解决的问题。
发明内容
[0006] 本发明主要解决的技术问题是:针对传统湿法纺丝工艺制备的壳聚糖纤维采用较多助剂,所用助剂残留在壳聚糖纤维中,导致产品纯度不高,影响其性能的问题,提供了一种壳聚糖纤维的制备方法。
[0007] 为了解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:(1)按
质量比为1:20~1:30,将壳聚糖与
草酸溶液倒入
搅拌机,搅拌混合20~40min后,静置溶胀6~8h,再加热搅拌溶解后,过筛、
真空脱泡,得纺丝液;
(2)将上述所得纺丝液用计量
泵输送至纺丝帽进行挤出,经凝固浴凝固后,得初生纤维;
(3)将上述所得初生纤维经拉伸后,再经洗涤,得成型纤维,再经
烘焙、干燥、切断,即得壳聚糖纤维。
[0008] 步骤(1)所述的壳聚糖为70~85%中脱乙酰度壳聚糖。
[0009] 步骤(1)所述的草
酸溶液为质量分数为4~6%的草酸溶液。
[0010] 步骤(1)所述的加热搅拌溶解条件为:于
温度为45~55℃,转速为300~500r/min条件下,恒温搅拌溶解3~5h。
[0011] 步骤(2)所述的
计量泵输送速率为10~15kg/min。
[0012] 步骤(2)所述的纺丝帽孔径为0.06~0.08mm,孔密度为800~1000孔/cm2,孔数为15~20万孔。
[0013] 步骤(2)所述的凝固浴为预热至35~40℃的质量分数为4~8%
氨水。
[0014] 步骤(3)所述拉伸倍数为2~3倍。
[0015] 步骤(3)所述的干燥为于25~35℃条件下气流干燥或于-65~-60℃条件下真空
冷冻干燥中的一种。
[0016] 步骤(3)所述的烘焙条件为:烘焙温度90~92℃,烘焙至成型纤维含水率为20~30%。
[0017] 本发明的有益效果是:(1)本发明技术方案首先严格限定采用70~85%中脱乙酰度壳聚糖,这是因为壳聚糖为高效的螯合介质,壳聚糖的吸附能力大小取决于其脱乙酰度,脱乙酰度越大,则吸附能力越强,采用相对较低的脱乙酰度壳聚糖,可避免在制备过程中壳聚糖吸附杂质,从而影响产品纯度,但并非脱乙酰度越低越好,如果采用更低的低脱乙酰度壳聚糖,则原料
溶解度进一步下降,将导致壳聚糖无法溶解在草酸溶液中,不利于纺丝液的制备,而采用中脱乙酰度壳聚糖在保证溶解度的条件下,又可有效减少对杂质的吸附,提高产品纯度;
(2)本发明技术方案采用
氨水为凝固浴,因壳聚糖在
碱性环境下溶解度降低,且氨水与草酸溶液体系可减缓
固化速率,有利于壳聚糖纤维固
化成型,形成圆形截面的初生纤维,且氨水中氨气分子具有较强的渗透性,有利于使纤维内外层结构趋于一致,另外,在后期烘焙过程中,草酸受
热分解产生二
氧化
碳和水,氨水受热后氨气和水分挥发,不会对产品纯度造成影响。
具体实施方式
[0018] 首先按质量比为1:20~1:30,将壳聚糖与质量分数为4~6%草酸溶液倒入搅拌机,于室温条件下,以200~400r/min转速搅拌混合20~40min后,静置溶胀6~8h,随后加热升温至45~55℃,调节搅拌转速至300~500r/min,恒温搅拌溶解3~5h,再过325~500目不锈
钢筛,得壳聚糖溶液,并将所得壳聚糖溶液于真空度为92~96%条件下,动态脱泡2~4h,得纺丝液;采用湿法纺丝,将所得纺丝液通过计量泵以10~15kg/min速率输送至纺丝机纺丝帽进行挤出,挤出后经预热至35~40℃的质量分数为4~8%氨水凝固,边凝固边进行拉伸,
拉深倍数为2~3倍,待拉伸结束后,于超声
频率为40~45kHz条件下,依次用温度为40~55℃温水洗涤3~5min,无水
乙醇洗涤2~4min,去离子水洗涤2~5min,得成型纤维;再将所得成型纤维均匀平铺于
不锈钢托盘中,平铺厚度为1~3mm,于温度为90~92℃条件下,烘焙至成型纤维含水率为20~30%,得烘焙成型纤维,再将所得烘焙成型纤维干燥后,切断,即得壳聚糖纤维。所述的壳聚糖为70~85%中脱乙酰度壳聚糖。所述的纺丝帽孔径为0.06~0.08mm,孔密度为800~1000孔/cm2,孔数为15~20万孔。所述的干燥为于25~35℃条件下气流干燥或于-65~-60℃条件下真空冷冻干燥中的一种。
[0019] 实例1首先按质量比为1:30,将壳聚糖与质量分数为6%草酸溶液倒入搅拌机,于室温条件下,以400r/min转速搅拌混合40min后,静置溶胀8h,随后加热升温至55℃,调节搅拌转速至
500r/min,恒温搅拌溶解5h,再过500目不锈钢筛,得壳聚糖溶液,并将所得壳聚糖溶液于真空度为96%条件下,动态脱泡4h,得纺丝液;采用湿法纺丝,将所得纺丝液通过计量泵以
15kg/min速率输送至纺丝机纺丝帽进行挤出,挤出后经预热至40℃的质量分数为8%氨水凝固,边凝固边进行拉伸,拉深倍数为3倍,待拉伸结束后,于超声频率为45kHz条件下,依次用温度为55℃温水洗涤5min,无水乙醇洗涤4min,去离子水洗涤5min,得成型纤维;再将所得成型纤维均匀平铺于不锈钢托盘中,平铺厚度为3mm,于温度为92℃条件下,烘焙至成型纤维含水率为30%,得烘焙成型纤维,再将所得烘焙成型纤维干燥后,切断,即得壳聚糖纤维。
所述的壳聚糖为80%中脱乙酰度壳聚糖。所述的纺丝帽孔径为0.08mm,孔密度为1000孔/cm2,孔数为20万孔。所述的干燥为于35℃条件下气流干燥或于-60℃条件下真空冷冻干燥中的一种。
[0020] 实例2首先按质量比为1:30,将壳聚糖与质量分数为6%草酸溶液倒入搅拌机,于室温条件下,以400r/min转速搅拌混合40min后,静置溶胀8h,随后加热升温至55℃,调节搅拌转速至
500r/min,恒温搅拌溶解5h,再过500目不锈钢筛,得壳聚糖溶液,并将所得壳聚糖溶液于真空度为96%条件下,动态脱泡4h,得纺丝液;采用湿法纺丝,将所得纺丝液通过计量泵以
15kg/min速率输送至纺丝机纺丝帽进行挤出,挤出后经预热至40℃的质量分数为8%氨水凝固,边凝固边进行拉伸,拉深倍数为3倍,待拉伸结束后,于超声频率为45kHz条件下,依次用温度为55℃温水洗涤5min,无水乙醇洗涤4min,去离子水洗涤5min,得成型纤维;再将所得成型纤维均匀平铺于不锈钢托盘中,平铺厚度为3mm,于温度为92℃条件下,烘焙至成型纤维含水率为30%,得烘焙成型纤维,再将所得烘焙成型纤维干燥后,切断,即得壳聚糖纤维。
所述的壳聚糖为90%高脱乙酰度壳聚糖。所述的纺丝帽孔径为0.08mm,孔密度为1000孔/cm2,孔数为20万孔。所述的干燥为于35℃条件下气流干燥或于-60℃条件下真空冷冻干燥中的一种。
[0021] 实例3首先按质量比为1:30,将壳聚糖与质量分数为6%草酸溶液倒入搅拌机,于室温条件下,以400r/min转速搅拌混合40min后,静置溶胀8h,随后加热升温至55℃,调节搅拌转速至
500r/min,恒温搅拌溶解5h,再过500目不锈钢筛,得壳聚糖溶液,并将所得壳聚糖溶液于真空度为96%条件下,动态脱泡4h,得纺丝液;采用湿法纺丝,将所得纺丝液通过计量泵以
15kg/min速率输送至纺丝机纺丝帽进行挤出,挤出后经预热至40℃的质量分数为8%氢氧化钠溶液凝固,边凝固边进行拉伸,拉深倍数为3倍,待拉伸结束后,于超声频率为45kHz条件下,依次用温度为55℃温水洗涤5min,无水乙醇洗涤4min,去离子水洗涤5min,得成型纤维;
再将所得成型纤维均匀平铺于不锈钢托盘中,平铺厚度为3mm,于温度为92℃条件下,烘焙至成型纤维含水率为30%,得烘焙成型纤维,再将所得烘焙成型纤维干燥后,切断,即得壳聚糖纤维。所述的壳聚糖为80%中脱乙酰度壳聚糖。所述的纺丝帽孔径为0.08mm,孔密度为
1000孔/cm2,孔数为20万孔。所述的干燥为于35℃条件下气流干燥或于-60℃条件下真空冷冻干燥中的一种。
[0022] 将实例1至3所得壳聚糖纤维进行性能检测,并采用
水刺加固工艺制成水刺非织造材料,应用于医用创面保护
覆盖材料,对所得材料抑菌率进行测试,具体测试方法如下所述:1.使用光学
显微镜和扫描
电子显微镜观察壳聚糖纤维的纵向和横向截面形态;
2.使用XQ-2纤维强伸度仪测量壳聚糖纤维的断裂强度、断裂伸长率和初始模量,测试条件为:拉伸速率20m/min,拉伸距离20cm,预加
张力0.98mN;
3.采用金黄色葡萄球菌和大肠杆菌进行抑菌率测试。
[0023] 具体检测结果如表1所示:表1
实例1 实例2 实例3
纵向截面形态 表面光滑 表面粗糙,有少量沟槽 表面粗糙,有少量沟槽
横向截面形态 近似圆形,无明显皮芯结构 近似圆形,无明显皮芯结构 椭圆形,有少许皮芯结构干态断裂强度(cN/dtex) 2.85 2.79 2.68
湿态断裂强度 2.33 2.31 2.28
干态断裂伸长率(%) 8.66 8.59 8.23
湿态断裂伸长率(%) 8.87 8.75 8.56
初始模量(cN/dtex) 83.21 82.92 82.11
纯度(%) 99.6 96.2 94.8
抑菌率(%) 99.8 92.4 85
由表1检测结果可知,采用本发明技术方案制备的壳聚糖纤维纯度高,作为医用材料使用,抑菌率高。