制约壳聚糖纤维应用的因素及解决方法

杜玉平，马建伟，李达

（青岛大学纺织服装学院，山东青岛 266071）

制约壳聚糖纤维应用的因素及解决方法

杜玉平，马建伟，李达

（青岛大学纺织服装学院，山东青岛 266071）

对制约壳聚糖纤维应用的主要因素进行了剖析，主要从壳聚糖纤维产量低，纤维质量不稳定，壳聚糖纤维混纺纱染色困难等因素进行了探讨;同时，介绍了为突破这些因素，目前国内外所采取的解决方法。

壳聚糖纤维;制约因素;解决方法

1 引言

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。可应用于医用纺织品、保健服装和工业等领域。但是壳聚糖纤维的市场占有率很低，尤其在服装领域，与其他抗菌纤维如麻纤维、竹纤维相比，其应用率很低。究其原因是因为壳聚糖纤维生产工艺较难控制，纤维质量波动大，纤维抗菌性受工艺影响大，纤维混纺纱染色困难。本文就此讨论了制约壳聚糖纤维应用的诸因素，并提出了解决方法。

2 制约因素

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。由于壳聚糖纤维的强力较低，所以通常与其他纤维混纺，制成混纺纱，进一步做成织物，服装。在这一流程中的几个环节难以控制，是造成壳聚糖纤维生产效率低，质量不稳定，抗菌性易波动，由纤维制成的纺织品视觉效果差的主要原因，也就制约了壳聚糖纤维的应用。

2.1 壳聚糖纤维的生产效率低

壳聚糖纤维的生产效率低主要表现在壳聚糖纺丝液的制备困难且周期长，出拉伸浴后的纤维在后道处理过程中难以控制且耗时耗力。

2.1.1 壳聚糖纺丝液制备困难

壳聚糖用于纺丝时，通常将壳聚糖溶于乙酸溶液中，杨庆等人［1］已对壳聚糖/乙酸溶液的流变性能进行了研究，认为壳聚糖乙酸溶液在低剪切速率时为牛顿流体，随着剪切速率的增加，溶液呈现出剪切变稀的现象，成为非牛顿假塑性流体。这种非牛顿流体受温度和时间的影响很大，温度升高时，且壳聚糖纺丝液放置时间较长时，都会造成壳聚糖大分子的降解，导致了壳聚糖纺丝液的制备工艺难以准确控制。制备可纺性能良好的纺丝液成为国内外壳聚糖纤维生产研究者的重点研究对象。

壳聚糖大分子氨基之间的较强作用力，导致了壳聚糖的溶解度很低，且高浓度时，壳聚糖溶解速度慢，易出现溶解不均匀现象。因此，国内外壳聚糖纤维的生产厂家，制备壳聚糖纺丝液时，一般以质量分数3.8%为主，几乎不会超过4%。而黏胶纤维纺丝液的质量分数可以达到15%，壳聚糖纺丝液的质量分数低，在根本上限制了壳聚糖纤维的生产效率。

壳聚糖纺丝液是一种高黏度的流体，流体内部的黏滞系数较大，采用一般的浆式搅拌器或锚式搅拌器时，很难充分溶解搅拌溶解罐中纺丝液，造成溶解罐中搅拌不充分，处于溶胀状的壳聚糖难以充分分散，且壳聚糖纺丝液的制备时间较长，这种现象在产业化生产中尤为严重。因为产业化生产中，需要配置大量的纺丝液，溶解罐的体积大，至少为1 m3，这也降低了壳聚糖纤维的生产效率。

2.1.2 壳聚糖纤维的后道处理难以控制

由于壳聚糖纤维中的氨基吸附离子的能力很强，因此出凝固浴中的纤维不易水洗，且水洗后纤维很难干燥，纤维间易粘连。造成壳聚糖纤维后道处理的复杂性，直接影响了壳聚糖纤维的生产效率。目前生产壳聚糖纤维的后道工序中，对壳聚糖纤维采用分段式水洗、干燥，没有实施连续化生产，壳聚糖纤维未能实施连续化纺丝制约了其生产效率。

2.2 壳聚糖纤维的质量不稳定

壳聚糖纤维的质量不稳定主要表现在两个方面:一方面是壳聚糖纤维的力学性能不稳定;另一方面是壳聚糖纤维的抗菌性受工艺影响较大，在生产过程中易波动。

2.2.1 壳聚糖纤维的力学性能不稳定

纺制壳聚糖纤维时，需控制的工艺条件很繁琐，任何一项控制不好，均可导致力学性能的缺陷，这主要表现在:凝固浴中，强烈的凝固条件易形成非圆形的横截面，而缓慢的凝固条件比较容易形成圆形横截面，强烈和缓慢的程度需由凝固浴的温度、试剂浓度等控制;在拉伸浴中，纤维的头道拉伸比，二道拉伸比要协调好，且拉伸浴的温度、浓度都会影响纤维的力学性能;水洗浴中，出凝固浴后的纤维大分子结构已基本稳定下来，纤维内部结构紧凑、致密，但纤维的表面及纤维内部的孔洞还残留着部分氢氧化钠和醋酸钠溶剂，如果不及时洗净，会导致纤维的力学性能下降，水洗温度、时间及水的pH值是影响纤维水洗效果的主要因素;还有后道中的脱水卷绕等工序，工艺优劣直接影响到纤维的卷装质量和纤维的应用。壳聚糖纤维的强力CV值较高，一般在10%以上，这也制约了壳聚糖纤维的应用。

2.2.2 壳聚糖纤维的抗菌性能不稳定

壳聚糖纤维具有较强的抑制细菌生成的能力，因此，壳聚糖纤维在保健服装领域有着广泛的应用前景。影响壳聚糖纤维抗菌性能的因素很多，如壳聚糖原料的脱乙酰度、壳聚糖纤维的生产工艺等都直接影响纤维的抗菌性。曾有研究证明，充分水洗的壳聚糖纤维的抑菌率达到99%以上，而未充分水洗的壳聚糖纤维的抑菌率为18%。纤维的抗菌性受到限制。

2.3 壳聚糖纤维混纺纱染色困难

由于壳聚糖纤维存在着成本高、强力低的缺陷，所以在实际应用中，在保持抗菌效果的前提下，壳聚糖纤维常与棉纤维等其它纤维混纺成纱。然而壳聚糖/棉混纺纱及其织物的染色存在着一定的问题，很难将其染成同色，染色过程中，壳聚糖纤维极易损伤，且经过染色后，混纺纱的抗菌性有所下降。这些问题的存在约束了壳聚糖类纺织品的推广。

造成这一问题的主要原因是因为壳聚糖纤维的氨基含量很高。使用活性染料染色时，其中的—NH2能与溶液中的H+结合成为—NH+3，使得吸附阴离子染料速度很快;壳聚糖纤维的结晶度小，仅为46.04%，且纤维中的无定形区多，吸水性能优异，染料很容易扩散到纤维的内部。因此壳聚糖纤维对活性染料的吸附和固着性能比纤维素纤维要好，同浴染色时，竞染现象特别严重。同时由于大分子中存在—NH2，壳聚糖纤维能溶于酸性溶液，所以在酸性条件下染色或者水洗过程中使用了酸溶液，都将影响壳聚糖纤维的抗菌性。

3 解决方法

为了解决上述制约壳聚糖纤维应用的因素，国内外学者对壳聚糖纤维的生产工艺和染色工艺进行了大量的研究，主要集中在纺丝原液制备技术的改进、纺丝工艺的改进、壳聚糖纤维的改性处理、制备壳聚糖混纺纤维、混纺纱染色工艺改进等几个方面。

3.1 纺丝原液制备技术的改进

Tokure等［2］提出了利用二氯乙酸水溶液溶解壳聚糖，凝固浴采用金属盐水溶液，出凝固浴后再用鳌合剂处理的方式，改善了原液的纺丝性能并加速了凝固过程。此外，也有人采用三氟乙酸、二甲基亚砜和三甲基硅烷基三氟甲磺酸盐溶解壳聚糖，以求改善壳聚糖的溶解性能。Kawasaki［3］则提出了一种相对无毒、无异味的硫氰酸钠水溶液溶解壳聚糖，它是将壳聚糖溶解于质量分数不小于44%的硫氰酸钠水溶液中，采用湿法纺丝，凝固浴则采用水溶性有机酸和硫氰酸钠的混合水溶液作为凝固剂。中国专利CN1129748A和96103888.8公开了脱乙酰甲壳质纤维的制造方法及其应用，该发明以壳聚糖为主要原料，配以乙酸、硼酸制成的纺丝液，硼酸的加入有利于壳聚糖的溶解和纺丝液的稳定性［4］。

3.2 纺丝工艺的改进

Kawasaki［3］制备了溶解于硫氰酸钠水溶液的壳聚糖纺丝液，然后用湿纺和干湿纺工艺制备成纤维的工艺过程进行了研究。研究表明，干湿纺纤维强度比相同条件下得到的湿纺纤维强度要高得多。Knaul等人［5］在壳聚糖纤维纺丝成形后的干燥过程中采用了不同的干燥形式，其中含有直接或间接的辐射照射、压缩空气吹射以及使用化学干燥剂（如丙酮、异丙醇、甲醇）等干燥技术，并对壳聚糖纤维干燥方式进行了试验分析，用于改善壳聚糖纤维的性能。

中国专利CN101250759A公开了一种医用壳聚糖纤维的生产方法，该方法在制备纤维的过程中不添加硼酸、尿素和硫氰酸钠，在凝固浴中不添加乙醇，降低了壳聚糖纤维的生产成本。且在纤维的后道处理中加入了活化工序，以提高纤维的抗菌性。

笔者认为可采用凝固浴和拉伸浴合二为一的连续化生产工艺，其有别于其他文献所报道的纤维生产方式，且凝固浴中只选用了NaOH水溶液作为凝固液，不添加任何凝固剂，可极大地减少生产成本、设备费用和劳动强度。采用水洗、脱水、干燥连续化的纺丝工艺，极大地提高了纤维的生产效率，采用乙醇脱水后、气流干燥纤维的干燥方式，纤维可快速干燥且利于纤维间分离。生产壳聚糖纤维具有良好的抗菌性，但是水洗对其抗菌效果有严重影响，因此生产壳聚糖纤维时，出凝固浴的纤维一定要经过充分水洗。

3.3 壳聚糖纤维/棉混纺纱及织物染色工艺的改进

对壳聚糖纤维/棉混纺纱及织物染色工艺的研究主要集中在煮漂工艺和染色工艺两个方面，主要目的是降低对壳聚糖纤维的损伤和染色纱及织物的同色性。戴学朋等人［6］分析了不同的前处理工艺对甲壳素与棉交织织物强力的影响;胡晓莉等人［7］探讨了双氧水的浓度、漂白温度对壳聚糖纤维白度和失重率的影响，以及氧漂对壳聚糖纤维黏均分子质量、结晶度的影响;刘德驹等人［8］分析了烧碱浓度对壳聚糖纤维失重率的影响。

朱平等人［9］采用阳离子化预处理甲壳素/棉混纺织物，然后采用活性染料对甲壳素/棉混纺织物进行一浴法染色，能得到较好的染色深度和匀染性，并且染色牢度较好。

4 结语

制约壳聚糖纤维应用的因素还有很多，如壳聚糖纤维的厂家对其缺乏有效的推广，壳聚糖纤维的纺织品价格较高，普通市民难以接受等因素，且本文所述的主要制约因素中，还有很多没有得到明显的解决，尤其是壳聚糖纤维/棉混纺纱及织物的染色，一直没有有效的方法解决其染色不匀的问题。因此，壳聚糖纤维要得到广泛的应用和推广，还需要壳聚糖纤维的研究者和生产厂家进一步的努力。

［1］杨庆.高强度壳聚糖纤维的制备及结构性能研究［D］.上海:东华大学，2005.

［2］Tokura Selich＆i Seo Hiroshi.Manufacture of chitosan fiber and film:Japan，59－116，418［P］.1984.

［3］Kawasak，i S.Method for manufacturing chitosan fiber:U.S.，5，897，821［P］.1999.

［4］沈德兴，郯志清，孙瑾，等.脱乙酰甲壳质纤维及其制造方法和应用［P］.中国专利:CN 1129748A，1996－08－28.

［5］Knaul J，Hooper M，Chanyi C，et al.Improvements in the drying process for wet－spun chitosan fibers［J］.Journal of Applied Polymer Science，1998，69 （7）:1435～1444.

［6］戴学朋，於涛.甲壳素纤维与棉交织织物染整工艺初探［J］.天津纺织科技，2007（3）:17－19.

［7］胡晓莉，唐人成.甲壳胺纤维的氧漂失重和降解研究［J］.印染，2008（7）:1－4.

［8］刘德驹，何雪梅.甲壳素、甲壳胺纤维的染整加工［J］.针织工业，2006（3）:46－48.

［9］朱平，周晓东，王炳，等.甲壳素/棉混纺织物一浴法染色研究［J］.印染助剂，2007（6）:11－13.

FACTORS RESTRICTING THE APPLICATION OF CHITOSAN FIBER AND SOLUTION

DU Yu-ping，MA Jian-wei，LI Da
（College of Textiles and Fashion，Qingdao University，Qingdao 266071，China）

This article analyze the major factors of restricting the application of chitosan fiber，mainly from the low of output，instability of quality and blended yarn dyeing difficulty.Meanwhile，it summarizes the solution taken at home and abroad to break through these factors

Nylon 6;process;full drawn yarn;porous fine denier fiber

TS102.512

A

10.3969/j.issn.1672－500x.2011.01.009

1672－500X（2011）01－0033－04

2011－01－10

杜玉平（1986－），女，在读硕士研究生，主要研究方向为纺织材料。