吸濕對海藻纖維性能影響的研究

郭 晶，王建坤，鄭 幗，張 昊

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

0 前言

海藻纖維作為生物可降解纖維中的一種，由于其自身滿足醫(yī)用材料的要求[1-2]，20世紀(jì)80年代海藻纖維醫(yī)用產(chǎn)品包括敷料、紗布等被開發(fā)應(yīng)用，并且表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，明顯加快傷口愈合速度，同時可以改善傷口部位由于過敏等引起的不良反應(yīng)[3]。但海藻纖維自身強(qiáng)力比較低，限制了其應(yīng)用范圍。海藻纖維的原料海藻酸鈉是海洋中所蘊(yùn)藏的最豐富的資源之一[4]。

利用我國海岸線廣闊，海洋生物資源豐富，紡織技術(shù)力量雄厚的優(yōu)勢，積極開發(fā)海藻纖維醫(yī)用敷料，滿足社會對高性能的新型醫(yī)用敷料不斷增長的需求，擴(kuò)大海藻纖維這種可降解的環(huán)保生物材料在醫(yī)療上的應(yīng)用范圍，以其優(yōu)良的性能去取代傳統(tǒng)的治傷材料，具有重要的科研和商業(yè)價(jià)值。

本文首先研究海藻纖維吸濕性能對其成紗工藝、使用性能的影響作用，同時研究海藻纖維的醫(yī)用性能，驗(yàn)證其是否適宜用于醫(yī)療領(lǐng)域。通過對海藻纖維的理化性能的分析，對其可紡性進(jìn)行討論，從而為后續(xù)紡制海藻纖維/棉混紡紗線提供一系列參數(shù)及理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本課題采用由天津中盛生物科技有限公司通過濕法紡絲生產(chǎn)的棉型純海藻酸鹽纖維，長度大約為25cm～30cm。

1.2 海藻纖維物理性能測試

1.2.1 海藻纖維線密度的測定

采用標(biāo)準(zhǔn)為：GB 6100《棉纖維線密度試驗(yàn)方法 中斷稱重法》、GB/T 14334《合成短纖維線密度試驗(yàn)方法》。整理纖維束，經(jīng)過梳理后放置在纖維切斷器中切取，切取纖維的中段長度為10mm，之后直接目測計(jì)數(shù)中段纖維的根數(shù)，隨后用電子天平稱取重量。纖維線密度可通過方程式得到：

式中：Tt為線密度，tex；Gc為中段纖維的質(zhì)量，mg； L為纖維切段長度，mm；n為纖維根數(shù)。

1.2.2 海藻纖維回潮率的測定

使用烘箱法測定海藻纖維水分，采用標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 9995《紡織材料含水率和回潮的測定 烘箱干燥法》、GB/T 14341《合成短纖維回潮率試驗(yàn)方法》。測定環(huán)境溫濕度，并計(jì)算修正系數(shù)。對處于實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的海藻纖維進(jìn)行烘燥處理，使用箱外熱稱法，從而記錄數(shù)據(jù)。通過修正，可計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)回潮率，使用三組試樣，分別求出標(biāo)準(zhǔn)回潮率，之后求其平均值。

1.2.3 海藻纖維吸濕性能的測定

選用蒸餾水、生理鹽水和A 溶液[5](英國藥典中規(guī)定的模仿血液中鈉離子和鈣離子的濃度，A溶液中鈉離子的濃度為142mmol/L，鈣離子的濃度為2.5mmol/L，參照文獻(xiàn)[6]對海藻纖維的吸濕性能進(jìn)行研究。

1.2.4 海藻纖維力學(xué)性能的測定

參照標(biāo)準(zhǔn)為GB 9997《化學(xué)纖維單纖維斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長的測定》和GB/T 14337《合成短纖維斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長試驗(yàn)方法》。根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣本纖維長度及預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定試驗(yàn)參數(shù)為：名義隔距長度為10mm，預(yù)張力為0.05cN/dtex，拉伸速度為10mm/min。纖維分為干態(tài)和濕態(tài)，濕態(tài)纖維為完全浸潤于蒸餾水中3min的海藻纖維，各組選用50個樣本。

通過數(shù)據(jù)分析，比較纖維干濕狀態(tài)下的力學(xué)性能差異，以及海藻纖維與棉纖維的不同點(diǎn)。

1.2.5 海藻纖維的阻燃性能

使用燃燒法，觀察纖維在燃燒時、燃燒前后的形態(tài)特征等。

1.3 海藻纖維化學(xué)性能測試

1.3.1 海藻纖維耐酸堿性的測定

參照文獻(xiàn)[7]，對海藻纖維的耐酸堿性進(jìn)行測定，其中耐酸性實(shí)驗(yàn)采用2%和5%的HAc、HCl和H2SO4試劑，耐堿性實(shí)驗(yàn)采用NaOH、Na2CO3試劑。

1.3.2 海藻纖維耐鹽性的測定

配置0.1%、0.3%、0.5%和0.9%濃度的NaCl溶液各50毫升，分別倒入錐形瓶中，各加入0.2g海藻纖維，震蕩3分鐘后觀察纖維溶脹、凝膠情況和光學(xué)顯微鏡下的纖維縱向形態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 海藻纖維物理機(jī)械性能分析

2.1.1 海藻纖維線密度

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，主要是確定海藻纖維與棉纖維的線密度的差異性，從而分析海藻纖維與棉混紡的可紡性研究，同時此數(shù)據(jù)是后續(xù)實(shí)驗(yàn)(如纖維單纖強(qiáng)力等)的重要實(shí)驗(yàn)參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如下：根數(shù) n = 470根，中段重量Gc = 2.6g，中段長度L=10mm。計(jì)算所得：細(xì)度D =0.5532(Tex) = 5.532(dtex)。

通過線密度測試，可得海藻纖維相對棉較粗。因此，在混紡過程中，海藻纖維若形成毛羽則較容易脫落，同時纖維在紗線內(nèi)部的轉(zhuǎn)曲較少，從而與其他纖維抱合力減小，會增加海藻的落棉率。

2.1.2 海藻纖維回潮及吸濕

通過相關(guān)文獻(xiàn)可知，海藻纖維回潮率很大。因?qū)嶒?yàn)最終目的為紡制混紡紗線，故需要通過實(shí)驗(yàn)測量海藻纖維回潮，從而研究其與棉纖維的差異性。同時，回潮率指標(biāo)與纖維吸濕性能有關(guān)，通過實(shí)驗(yàn)可得出纖維在其他性能測試時大氣條件對其影響的程度。

實(shí)驗(yàn)條件為：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、溫度19.5℃、相對濕度41%。因所處實(shí)驗(yàn)條件為非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件，故存在修正系數(shù)C，計(jì)算所得：C=0.203242%，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果如表1。

表1 海藻纖維回潮率測試結(jié)果

通過加權(quán)平均所得，回潮率W=21.51%。

所測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與表2對比所得，海藻纖維的回潮率高于表中所有纖維的公定回潮率。此纖維回潮率相當(dāng)于棉纖維的2倍，因此二者差異性較明顯。當(dāng)纖維在空氣中吸濕到平衡回潮率后顏色恢復(fù)為純白色，表明此現(xiàn)象為物理可逆反應(yīng)。

表2 幾種常見纖維的公定回潮率

注：表2來自于《紡織材料學(xué)》(姚穆，北京：中國紡織出版社，1980)

海藻纖維的吸液量用來表征纖維的吸濕性能。從表3[6]可以看出，海藻纖維對生理鹽水和A溶液表現(xiàn)出極好的吸濕性，表明其適合用作醫(yī)用材料處理傷口。這是因?yàn)楹Ｔ謇w維分子中存在著大量的親水基團(tuán)-COOH和-OH。另外，溶液中所含大量Na+能與海藻纖維中的Ca2+發(fā)生離子交換，破壞纖維的晶區(qū)結(jié)構(gòu)。生理鹽水中鈉離子的含量最高，所以海藻纖維對生理鹽水的吸濕性最強(qiáng)。由于A溶液中含有的鈣離子在一定程度上抑制了Na+與Ca2+的離子交換，因此海藻纖維對A溶液的吸液量比生理鹽水稍低。

表3 海藻纖維、棉纖維和甲殼素纖維的吸濕性

2.1.3 海藻纖維的力學(xué)性能

通過單纖強(qiáng)力測試，得到海藻纖維的力學(xué)性能，從而得到海藻纖維與棉纖維混紡制紗線時的各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)。為了分析纖維吸濕對其力學(xué)性能的影響，則分別測試實(shí)驗(yàn)條件下的纖維與完全浸潤(在蒸餾水中浸潤3min)條件下的纖維，從而對比研究。

實(shí)驗(yàn)條件為：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、溫度19.5℃、相對濕度41%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 單纖維力學(xué)性能測試指標(biāo)

通過實(shí)驗(yàn)可以得到，海藻纖維屬于低強(qiáng)低伸型纖維，斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長都不高，同時通過標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)可知，試驗(yàn)用海藻纖維的單根強(qiáng)力差異比較明顯，原因如下：首先，纖維未形成廣泛生產(chǎn)，所購原料為小批量，纖維不勻控制不夠準(zhǔn)確所導(dǎo)致；同時，因海藻纖維較為脆硬，在撕扯過程中容易發(fā)生斷裂，導(dǎo)致所測試?yán)w維已經(jīng)發(fā)生損傷；而且海藻纖維中具有較多海藻酸鈉的粉末，這些可溶于水的物質(zhì)在纖維表面形成的層膜不勻。這些原因都可能導(dǎo)致纖維的強(qiáng)力及伸長不勻較大。

同時，可以看出，水分對海藻纖維的力學(xué)性能有一定的影響。濕態(tài)海藻纖維的斷裂強(qiáng)度略大于干態(tài)，伸長則有較大提高。同時，濕態(tài)纖維的單纖維力學(xué)性能不勻也比較明顯，但略低于干態(tài)纖維。當(dāng)水分進(jìn)入纖維內(nèi)部時，會改變纖維內(nèi)大分子的排列狀態(tài)，使纖維大分子的取向度有所改變。這種變化會增強(qiáng)纖維的彈性伸長。因此，可以得出結(jié)論，水分對纖維的力學(xué)性能有一定影響，在后續(xù)紡紗工藝過程中需要注意。

表5體現(xiàn)了海藻纖維與其他常用纖維的力學(xué)指標(biāo)。

表5 各種常用纖維的力學(xué)性能指標(biāo)

注：表5來自于《紡織材料學(xué)》(姚穆，北京：中國紡織出版社，1980)

通過數(shù)據(jù)可以看出，海藻纖維的強(qiáng)力最弱，伸長也較小。與棉相比，其強(qiáng)力小于棉，伸長與棉相似，因此混紡紗線拉伸時，海藻纖維更容易斷裂。在混紡工藝中，則會受到機(jī)械破壞更多。因此，在設(shè)計(jì)混紡紗線工藝時，要注意海藻纖維的含量，在滿足要求的前提下，越低越好。在后續(xù)紡紗過程中要注意，應(yīng)注意選用對纖維的損傷。

2.1.4 海藻纖維的阻燃性能

纖維阻燃性的研究目的是為了研究海藻纖維在遇到明火時的狀態(tài)特征，從而分析并確定混紡紗線的阻燃能力。阻燃性的研究對于纖維大批量生產(chǎn)時的防火、防靜電要求有著一定聯(lián)系。

海藻纖維阻燃性能測試結(jié)果：接近火焰，不縮不熔；在火焰中，緩慢燃燒；離開火焰，停止燃燒，說明自身具有一定的阻燃性。這是由于：(1)海藻纖維分子中的-COOH與-OH在加熱過程中脫水環(huán)化，改變了纖維分子結(jié)構(gòu)，提高了熱裂解溫度和炭化程度，可抑制熱裂解，減少可燃性氣體的產(chǎn)生，很多高聚物都有此性質(zhì)[8]；(2)燃燒過程中生成的CaO和CaCO3沉淀覆蓋在纖維表面，使氧氣與纖維隔離，阻止燃燒反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生[9]；(3)大分子中鈣、鈉離子會在燃燒過程中形成堿性環(huán)境。另外，多糖環(huán)含有羥基，在二者的共同影響下，海藻酸大分子發(fā)生脫羧反應(yīng)生成不燃性CO2[10]。

2.2 海藻纖維化學(xué)性能分析

2.2.1 海藻纖維耐酸堿性

耐酸堿性是纖維化學(xué)性能中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通過實(shí)驗(yàn)可以得出海藻纖維的耐酸堿性，從而研究該纖維的醫(yī)用性能，同時針對海藻纖維與棉混紡紗線的醫(yī)用紗布的使用提供一定的參考。

海藻纖維在不同種類和濃度酸、堿溶液中的變化情況見表6、表7[7]。可以看出，純海藻酸鹽纖維不耐強(qiáng)酸，室溫條件下，在強(qiáng)酸溶液中會發(fā)生溶脹，在弱酸溶液中雖不會溶脹，但當(dāng)弱酸溫度達(dá)到60℃，純海藻酸鹽纖維會發(fā)生輕微溶脹。海藻纖維的耐堿性更差，當(dāng)溫度為60℃時，海藻纖維處于溶解狀態(tài)。這可能是由于纖維的離子交換性，即纖維中的鈣離子與堿溶液中的鈉離子發(fā)生交換，形成可溶性的海藻酸鈉所致。

表6 酸對海藻酸鹽纖維外觀形態(tài)的影響

表7 堿對海藻酸鹽纖維外觀形態(tài)的影響

2.2.2 海藻纖維耐鹽性

海藻纖維對于含有Na+的鹽都會發(fā)生溶脹，產(chǎn)生溶膠效果。因人體傷口析出液中含有NaCl等鹽，因此海藻纖維的耐鹽性對于纖維的醫(yī)用性能有較強(qiáng)的影響。

實(shí)驗(yàn)分為四組，分別將0.2g海藻纖維溶于蒸餾水、0.1%、0.3%、0.5%和0.9%濃度的NaCl溶液50ml中。如圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)、圖1(d)和圖1(e)表征纖維溶解5min后的狀態(tài)。

(a)溶劑為蒸餾水

(b)溶劑為0.1%NaCl溶液

(c)溶劑為0.3%NaCl溶液

(d)溶劑為0.5%NaCl溶液

(e)溶劑為0.9%NaCl溶液

如圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)和圖2(e)分別是上述五組實(shí)驗(yàn)經(jīng)過處理后的海藻纖維在光學(xué)顯微鏡下的形態(tài)×200。.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

通過實(shí)驗(yàn)可知，海藻纖維在低濃度鈉離子的作用下凝膠現(xiàn)象十分明顯，當(dāng)NaCl濃度大約小于1%時，隨著NaCl濃度的增加，纖維所凝膠體的量逐漸增多，接近1%以后，凝膠量趨于飽和。在溶液中，海藻纖維和鈉離子發(fā)生離子交換，即是海藻纖維與傷口滲出液中的鈉離子交換，這種性質(zhì)是海藻纖維應(yīng)用于傷口滲出物接觸的高科技繃帶生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

2.3 吸濕對海藻纖維性能的影響

通過上述實(shí)驗(yàn)可以看出，海藻纖維中水分的含量對于纖維各項(xiàng)性能具有較大的影響。纖維在完全干燥狀態(tài)下的強(qiáng)力下降明顯，濕潤狀態(tài)下強(qiáng)力略有增加；濕態(tài)纖維的纖維伸長率大于干態(tài)纖維伸長率；海藻纖維吸濕后其纖維膨脹明顯，能夠產(chǎn)生一定的凝膠，在有Na+作用下凝膠作用明顯。

因?yàn)楹Ｔ謇w維具有這樣的性能，在將其紡制為醫(yī)用紗布后，對于傷口的愈合有很好的輔助作用，纖維會與機(jī)體傷口滲出液反應(yīng)產(chǎn)生凝膠，這層凝膠會使傷口一直保持在一個濕潤的環(huán)境下，有利于傷口細(xì)胞的分裂，從而有助于傷口愈合。因?yàn)槔w維在吸水后，尤其是吸收含有鈉離子的溶液后紗線強(qiáng)力會下降，從而影響紗布的清除。因此，采用與棉混紡的方式，這樣會讓紗布在潮濕狀態(tài)下保持強(qiáng)力，同時棉纖維的高吸水性也不會影響所紡紗布的醫(yī)用性能。

2.4 海藻纖維理化性能對紗線工藝影響

通過纖維的一系列性能的實(shí)驗(yàn)研究可知，海藻纖維的可紡性較差，這與實(shí)驗(yàn)前預(yù)測相符合。因海藻纖維的線密度大，原棉線密度小，在紗線加捻時，原棉纖維在纖維軸向擠壓力的作用下更易進(jìn)入紗線內(nèi)部，從而使海藻纖維分布靠外，這使海藻纖維適合用作醫(yī)用材料。但其本身較為脆硬，在受到摩擦?xí)r會更容易發(fā)生斷裂等破壞，導(dǎo)致纖維毛羽較多，且多數(shù)為海藻纖維。在紗線生產(chǎn)過程中，因機(jī)械的摩擦，海藻纖維更易脫離形成落雜。因此，纖維的混紡比會有所變化。因所制備的為混紡紗線，故纖維強(qiáng)力要弱于同線密度的棉紗，所紡紗線的號數(shù)不易過小，同時可適當(dāng)增加捻度以增強(qiáng)紗線強(qiáng)力。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)研究海藻纖維各項(xiàng)性能，并分析吸濕對海藻纖維其他性能的影響，從而分析海藻纖維與棉混紡工藝的各項(xiàng)性能參數(shù)及所遇到問題的預(yù)測，得出結(jié)論如下：

(1)海藻纖維具有高回潮率和高吸水性能，水分含量對纖維影響較大。濕態(tài)纖維的斷裂強(qiáng)度小，斷裂伸長大，同時會發(fā)生明顯溶脹。

(2)海藻纖維耐酸堿性差，耐鹽性差，在鈉離子作用下會產(chǎn)生大量溶膠，此性能有利于纖維的醫(yī)用性。

(3)海藻纖維可紡性差，強(qiáng)力弱，在混紡紗紡制中應(yīng)采用適當(dāng)?shù)膮?shù)以提高紗線強(qiáng)力，同時海藻纖維的落率應(yīng)相對較大，在后續(xù)工作中應(yīng)予以避免。

(4)海藻纖維具有較好的耐燃性，但其耐熱性較差。

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