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海藻纤维的制备及结构与性能研究

郭肖青  
【摘要】: 海藻酸钠由于其优异的生物性能,在生物医用材料领域备受人们的关注。海藻纤维因其良好的吸湿性能主要用来制备医用敷料、纱布等,加快伤口愈合。但目前海藻纤维的强力较低,严重影响了其应用的领域,且国内并没有报道海藻纤维的制备工艺。因此,探索海藻纤维的最佳制备工艺已经成为这一领域的重要研究方向。本论文的主要目的是采用湿法纺丝工艺制备海藻纤维,并通过壳聚糖与海藻纤维的接枝反应以高海藻纤维的强力并赋予其抗菌性。 为此,我们研究了海藻酸钠纺丝原液的流变性能;探讨了纺丝工艺对纤维强度的影响,得到了制备海藻纤维的最佳工艺条件;测试了纤维的各种性能,如吸湿性能、对金属离子的吸附性能、阻燃性能等;采用壳聚糖与海藻纤维进行接枝反应,并探讨了反应机理;系统研究了接枝对纤维强度的影响,并测试了纤维的抗菌性能。通过研究,取得了如下主要结果: 1、海藻酸钠溶液粘度随海藻酸钠含量的增加而上升,作为纺丝原液的饱和浓度约在6%左右,约8小时后溶解达到平衡值,真空脱泡18小时以上,得到海藻酸钠纺丝原液。 2、海藻酸钠原液在低剪切速率区间为牛顿流体,n约为1;随着剪切速率的加大,原液呈现切力变稀现象,成为非牛顿假塑性流体,n<1。温度在较大剪切速率范围内影响着原液的粘度,粘度随着温度的上升而下降,但在高剪切速率区间,不同温度的流变曲线趋于一致,温度的影响很小。粘流活化能△E_η随原液浓度的提高而降低,即大分子为克服周围所形成的能垒向孔穴跃迁时对温度的敏感度随浓度的上升而降低。原液的结构化程度随体系温度上升、浓度下降而渐小。因此,适当的加温有利于湿法纺丝的顺利进行。 3、海藻纤维可以以蒸馏水为溶剂采用湿法纺丝方法进行制备,选择合适的工艺条件可制备强度比较好的海藻纤维。 4、通过红外光谱分析,海藻酸钠在纺丝过程中,溶液中的钠离子与凝固浴中的钙离子产生离子交换,大分子中羧基与Ca~(2+)形成了螯合结构,进而证明了海藻酸钙分子是由Ca~(2+)离子的交联形成的网状大分子。海藻纤维的热分解分二步进行,其中第一步发生在50~150℃之间,为纤维内结合水的失去;第二步热分解发生在220~280℃之间,为海藻纤维裂解为较为稳定的中间产物,对应着海藻纤维骨架的断裂,相邻羟基以水分子的形式脱去。 5、在相同的纺丝工艺条件下,海藻酸钠原料M/G值越大,所得纤维的溶胀度越大。海藻纤维的断裂强力随海藻酸钠原液浓度的增大而增大,当浓度超过5%时,纤维的断裂强度不断减小;随着海藻酸钠原料M/G值的增大,在相同纺丝条件下得到的海藻纤维的断裂强度是逐渐减小的;海藻纤维的断裂强度随凝固浴浓度与温度的增大而增大,但当凝固浴浓度与温度达到一定值后,纤维的强度逐渐减小。 6、海藻纤维对不同液体的吸附能力顺序为:生理盐水>A溶液>自来水>蒸馏水;海藻纤维的吸附能力随着M/G值的增大而逐渐增大;海藻纤维的吸附能力随着凝固浴浓度的增大先增大后减小,当浓度达5%时,纤维的吸附能力达到最大;随凝固时间增长而减小。 7、海藻纤维的总释放热比棉纤维高许多,且其热释放速率比棉纤维慢得多,燃烧过程比较缓慢,海藻纤维的点燃时间(Time to Ignition,简称TTI)为18s,棉纤维的TTI为2s,所以海藻纤维的阻燃性能比棉纤维要好得多。 8、海藻纤维能吸附一定的金属离子,随着海藻酸钠M/G值的减小,海藻纤维对金属离子的吸附量约来越大。 9、壳聚糖与海藻酸钠之间产生离子交联,壳聚糖/海藻纤维的断裂强力比纯海藻纤维的断裂强力有所提高。当凝固浴中壳聚糖含量低时,纤维表面的壳聚糖含量低,所以抗菌性差;当凝固浴中壳聚糖含量提高时,越来越多的壳聚糖与纤维细流中的海藻酸钠发生离子交联,纤维表面壳聚糖含量增加,所以其抗菌性与抑菌性均有提高。


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