戊二醛交联改性壳聚糖纺丝原液流变性及成纤性能

李代洋，宋婧媛，何　勇，梁列峰

(1.西南大学纺织服装学院, 重庆 400715；2.重庆市纤维检验局，重庆 401121)



戊二醛交联改性壳聚糖纺丝原液流变性及成纤性能

李代洋1，宋婧媛1，何勇2，梁列峰1

(1.西南大学纺织服装学院, 重庆 400715；2.重庆市纤维检验局，重庆 401121)

主要探讨了戊二醛添加量、壳聚糖质量浓度、纺丝温度对戊二醛交联改性壳聚糖纺丝原液流变性质的影响。通过正交试验得出纺丝成型最佳工艺条件，即壳聚糖质量浓度为0.03g/mL；50mL溶液中5%戊二醛溶液的添加量为2mL；纺丝温度为40℃～50℃；凝固浴温度为20℃。为戊二醛交联改性壳聚糖纺丝成型提供了理论依据以及技术条件。

戊二醛壳聚糖交联纺丝成型

壳聚糖，学名聚 -(1,4) -2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，是迄今发现的自然界中唯一的碱性多糖，其化学结构与纤维素非常相似[1]，是一种利用价值极高的可再生生物质材料。壳聚糖具有广谱抗菌性，对几十种细菌和真菌的生长都有明显的抑制作用[2]。并且壳聚糖具有良好的生物相容性、生物降解性、无毒性、吸水性[3]，使其成为功能材料、尤其是功能纤维及纺织品的研究热点。早在1942年，美国学者就已经研究出壳聚糖纤维，但同时，壳聚糖纤维也存在纺丝过程连续性不好，纤维性能差等缺点，为此需要对纤维进行处理，以增强其成纤性能，目前，研究者对壳聚糖交联醛类、环氧氯丙烷、聚乙二醇类、冠醚类以及酯类 (磷酸三苯酯) 交联剂进行了大量研究[4]。但大研究其膜和纤维的后处理改性，对戊二醛交联壳聚糖纺丝原液及成纤性能的研究较少[5-9]，本文在酸性条件下制备戊二醛交联壳聚糖纺丝原液，研究了壳聚糖浓度，戊二醛添加量，溶液温度对纺丝原液流变性质的影响，设计正交试验，通过湿法纺丝方法制备成型良好的戊二醛交联改性壳聚糖纤维。

1　实验部分

1.1实验原理

交联反应是可使两个或者更多的分子(一般为线性分子)相互键合交联成网络结构的较稳定分子(体型分子)反应。这种反应使线型或轻度支链型的大分子转变成三维网状结构，以此提高强度、耐热性、耐磨性、耐溶剂性等性能。图1为高分子交联反应模型。

下页图2为壳聚糖与交联壳聚糖结构式，由图可知，壳聚糖分子间具有大量的一级氨基，氨基上的氢比较活泼，可与戊二醛等脂肪醛或芳香醛交联形成Schiff碱。

图1　交联反应高分子模型

(a)壳聚糖结构式

(b)交联壳聚糖结构式

1.2实验仪器和材料

JA2003A型电子天平(0.0001g)；SHA-C水浴恒温振荡器(金坛市易晨仪器制造有限公司)；HDI-3型恒温磁力搅拌器；DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱(上海齐欣科学仪器有限公司)；SNB-AIH型数字式粘度计(上海精密科学仪器有限公司)；自制湿法纺丝机；烧杯；量筒；玻璃棒等。

壳聚糖(90%脱乙酰度；山东莱州海力生物制品有限公司)；戊二醛(分析纯；成都市新都区木兰镇工业开发区)；冰乙酸(分析纯；川东化工)；无水乙醇(分析纯；川东化工)；蒸馏水。

1.3实验方法

①配制体积分数为5%的戊二醛溶液、体积分数为3%的乙酸溶液；②将不同质量的壳聚糖溶于3%的乙酸溶液，静止脱泡后，得到不同质量浓度的壳聚糖溶液；③在50mL不同质量浓度的壳聚糖溶液中加入不同剂量的5%戊二醛溶液恒温搅拌2h，充分反应后制得纺丝原液，静置脱泡后，观测其粘度变化规律；④观测纺丝原液在不同温度下粘度变化规律；⑤通过壳聚糖质量浓度、戊二醛溶液添加量、纺丝温度、凝固浴温度，四个因素设计正交实验，得出最佳纺丝工艺条件。

2　实验结果分析与讨论

2.1戊二醛添加量对纺丝原液的流变性质影响

图3为在50mL质量浓度为0.03g/mL壳聚糖溶液中添加不同剂量的5%戊二醛溶液制得的纺丝原液粘度在25℃条件下的变化情况。从图3可知，原液的粘度随着戊二醛溶液的添加剂量的增加而增加，成上升趋势，并且变化幅度较大。图4为在50mL质量浓度为0.03g/mL壳聚糖溶液中戊二醛添加量分别为1mL、3mL、5mL时溶液的形态，从图中可以看出当戊二醛溶液的添加量为5mL时，由于大规模发生交联反应，溶液形成冻胶，不具有流变性质和可纺性。因此5%的戊二醛溶液添加量控制在1mL～3mL比较合适。

图3　戊二醛添加量对纺丝原液流变性质的影响

图4　壳聚糖溶液中加入不同剂量戊二醛效果图

2.2壳聚糖质量浓度对纺丝原液流变性质的影响

图5为在50mL不同质量浓度壳聚糖溶液中添加3mL的5%戊二醛溶液制得的纺丝原液粘度在25℃条件下的变化情况。从图5可看出，随着壳聚糖浓度增加，粘度随之增加。颜晓菜[10]等通过壳聚糖成纤的正交实验得出最佳纺丝壳聚糖质量浓度为0.05g/mL，由于添加戊二醛发生交联反应的原因，在0.05g/mL的壳聚糖溶液中加入3mL的5%戊二醛溶液后已经不具有可纺性，而壳聚糖浓度较低，其可纺性能也不强。因此壳聚糖浓度控制在0.02g/mL～0.04g/mL较为适宜。

图5　壳聚糖质量浓度对纺丝原液流变性质的影响

图6　温度对纺丝原液流变性质的影响

2.3纺丝原液温度对其流变性质的影响

图6为在50mL、0.03g/mL壳聚糖溶液中添加3mL的5%戊二醛溶液制得的纺丝原液粘度在不同温度条件下的变化情况。从图6可看出随着温度的上升，原液的粘度下降，符合聚合物溶液随温度变化一般趋势。在20℃～40℃范围内，粘度变化范围较小，变化范围不大，说明在此温度范围内，原液稳定，适宜纺丝。

3　正交试验

3.1正交试验因素与水平设计

通过单因素实验可知，戊二醛添加量、壳聚糖浓度、纺丝温度对戊二醛交联壳聚糖纺丝原液的可纺性能影响较大，同时NaOH凝固浴的温度对纤维

成型也有较大影响。据此设计L9(34)正交试验，以10%～90%表征初生纤维的成纤效果。表1为正交实验因素及水平设计。

表1　因素水平设计

3.2正交试验数据分析

表二为戊二醛交联改性改性壳聚糖纤维正交试验结果，从表2可知，极差RB>RA>RC>RD，因此对成纤效果的影响最大是壳聚糖质量浓度，其次为戊二醛添加量以及纺丝温度，影响最小的为凝固浴温度。通过对k值进行分析，得到最佳工艺条件组合为B2A2C3D2即壳聚糖质量浓度为0.03g/mL；50mL溶液中5%戊二醛溶液的添加量为2mL；纺丝温度为40℃～50℃；凝固浴温度为20℃时。

表2　正交试验试验结果分析表

下页图7为五号实验样品，可看出丝条成型均匀良好。

图7　5号实验样品

4　结语

壳聚糖质量浓度、戊二醛添加量、纺丝温度、凝固浴温度对戊二醛交联改性壳聚糖纺丝原液可纺性能具有较大影响。通过正交试验得出得到最佳工艺条件为壳聚糖质量浓度为0.03g/mL；50mL壳聚糖溶液中5%戊二醛溶液的添加量为2mL；纺丝温度为40℃～50℃；凝固浴温度为20℃。

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Rheological and Fiber Forming Properties of Glutaraldehyde Crosslingking Modified Chitosan Spinning Solution

LIDai-yang1,SONGJing-yuan1,HEYong2,LIANGLie-feng1

(1. College of Textiles & Garments, Southwest University, Chongqing 400716;2. Chongqing Fiber Inspection Bureau, Chongqing 401121)

The influence of amount of glutaraldehyde, chitosan mass concentration and spinning temperature on the rheological property of glutaraldehyde crosslinking modified chitosan spinning solution was mainly discussed. The optimal technological condition was obtained by orthogonal test, that was, chitosan mass concentration was 0.03g/ml, amount of 5% glutaraldehyde solution in 50ml was 2ml, spinning temperature was 40～50℃ and coagulating bath temperature was 20℃, which provided theoretical basis and technical conditions for the fiber forming of glutaraldehyde crosslinking chitosan spinning solution.

glutaraldehydechitosancrosslinkingfiber forming

1008-5580(2016)03-0071-04

2016-05-09

重庆市应用开发计划项目(cstc2013yykfA50005)，横向合作项目(40801714)。

李代洋(1991-)，男，硕士研究生，研究方向：功能纤维成型。

梁列峰(1965-)，博士，教授，硕士生导师。

TS102.6

A