吸湿对海藻纤维性能影响的研究

2018-05-24王建坤

纺织科学与工程学报 2018年2期

郭晶，王建坤，郑帼，张昊

(天津工业大学纺织学院，天津 300387)

0 前言

海藻纤维作为生物可降解纤维中的一种，由于其自身满足医用材料的要求[1-2]，20世纪80年代海藻纤维医用产品包括敷料、纱布等被开发应用，并且表现出了优异的性能，明显加快伤口愈合速度，同时可以改善伤口部位由于过敏等引起的不良反应[3]。但海藻纤维自身强力比较低，限制了其应用范围。海藻纤维的原料海藻酸钠是海洋中所蕴藏的最丰富的资源之一[4]。

利用我国海岸线广阔，海洋生物资源丰富，纺织技术力量雄厚的优势，积极开发海藻纤维医用敷料，满足社会对高性能的新型医用敷料不断增长的需求，扩大海藻纤维这种可降解的环保生物材料在医疗上的应用范围，以其优良的性能去取代传统的治伤材料，具有重要的科研和商业价值。

本文首先研究海藻纤维吸湿性能对其成纱工艺、使用性能的影响作用，同时研究海藻纤维的医用性能，验证其是否适宜用于医疗领域。通过对海藻纤维的理化性能的分析，对其可纺性进行讨论，从而为后续纺制海藻纤维/棉混纺纱线提供一系列参数及理论支持。

1 实验部分

1.1 实验材料

本课题采用由天津中盛生物科技有限公司通过湿法纺丝生产的棉型纯海藻酸盐纤维，长度大约为25cm～30cm。

1.2 海藻纤维物理性能测试

1.2.1 海藻纤维线密度的测定

采用标准为：GB 6100《棉纤维线密度试验方法中断称重法》、GB/T 14334《合成短纤维线密度试验方法》。整理纤维束，经过梳理后放置在纤维切断器中切取，切取纤维的中段长度为10mm，之后直接目测计数中段纤维的根数，随后用电子天平称取重量。纤维线密度可通过方程式得到：

式中：Tt为线密度，tex；Gc为中段纤维的质量，mg； L为纤维切段长度，mm；n为纤维根数。

1.2.2 海藻纤维回潮率的测定

使用烘箱法测定海藻纤维水分，采用标准：GB/T 9995《纺织材料含水率和回潮的测定烘箱干燥法》、GB/T 14341《合成短纤维回潮率试验方法》。测定环境温湿度，并计算修正系数。对处于实验环境下的海藻纤维进行烘燥处理，使用箱外热称法，从而记录数据。通过修正，可计算其标准回潮率，使用三组试样，分别求出标准回潮率，之后求其平均值。

1.2.3 海藻纤维吸湿性能的测定

选用蒸馏水、生理盐水和A 溶液[5](英国药典中规定的模仿血液中钠离子和钙离子的浓度，A溶液中钠离子的浓度为142mmol/L，钙离子的浓度为2.5mmol/L，参照文献[6]对海藻纤维的吸湿性能进行研究。

1.2.4 海藻纤维力学性能的测定

参照标准为GB 9997《化学纤维单纤维断裂强力和断裂伸长的测定》和GB/T 14337《合成短纤维断裂强力及断裂伸长试验方法》。根据实验样本纤维长度及预实验结果，确定试验参数为：名义隔距长度为10mm，预张力为0.05cN/dtex，拉伸速度为10mm/min。纤维分为干态和湿态，湿态纤维为完全浸润于蒸馏水中3min的海藻纤维，各组选用50个样本。

通过数据分析，比较纤维干湿状态下的力学性能差异，以及海藻纤维与棉纤维的不同点。

1.2.5 海藻纤维的阻燃性能

使用燃烧法，观察纤维在燃烧时、燃烧前后的形态特征等。

1.3 海藻纤维化学性能测试

1.3.1 海藻纤维耐酸碱性的测定

参照文献[7]，对海藻纤维的耐酸碱性进行测定，其中耐酸性实验采用2%和5%的HAc、HCl和H2SO4试剂，耐碱性实验采用NaOH、Na2CO3试剂。

1.3.2 海藻纤维耐盐性的测定

配置0.1%、0.3%、0.5%和0.9%浓度的NaCl溶液各50毫升，分别倒入锥形瓶中，各加入0.2g海藻纤维，震荡3分钟后观察纤维溶胀、凝胶情况和光学显微镜下的纤维纵向形态。

2 结果与分析

2.1 海藻纤维物理机械性能分析

2.1.1 海藻纤维线密度

实验目的，主要是确定海藻纤维与棉纤维的线密度的差异性，从而分析海藻纤维与棉混纺的可纺性研究，同时此数据是后续实验(如纤维单纤强力等)的重要实验参数。通过实验所得数据如下：根数 n = 470根，中段重量Gc = 2.6g，中段长度L=10mm。计算所得：细度D =0.5532(Tex) = 5.532(dtex)。

通过线密度测试，可得海藻纤维相对棉较粗。因此，在混纺过程中，海藻纤维若形成毛羽则较容易脱落，同时纤维在纱线内部的转曲较少，从而与其他纤维抱合力减小，会增加海藻的落棉率。

2.1.2 海藻纤维回潮及吸湿

通过相关文献可知，海藻纤维回潮率很大。因实验最终目的为纺制混纺纱线，故需要通过实验测量海藻纤维回潮，从而研究其与棉纤维的差异性。同时，回潮率指标与纤维吸湿性能有关，通过实验可得出纤维在其他性能测试时大气条件对其影响的程度。

实验条件为：标准大气压、温度19.5℃、相对湿度41%。因所处实验条件为非标准实验条件，故存在修正系数C，计算所得：C=0.203242%，实验数据及结果如表1。

表1 海藻纤维回潮率测试结果

通过加权平均所得，回潮率W=21.51%。

所测得的实验数据与表2对比所得，海藻纤维的回潮率高于表中所有纤维的公定回潮率。此纤维回潮率相当于棉纤维的2倍，因此二者差异性较明显。当纤维在空气中吸湿到平衡回潮率后颜色恢复为纯白色，表明此现象为物理可逆反应。

表2 几种常见纤维的公定回潮率

注：表2来自于《纺织材料学》(姚穆，北京：中国纺织出版社，1980)

海藻纤维的吸液量用来表征纤维的吸湿性能。从表3[6]可以看出，海藻纤维对生理盐水和A溶液表现出极好的吸湿性，表明其适合用作医用材料处理伤口。这是因为海藻纤维分子中存在着大量的亲水基团-COOH和-OH。另外，溶液中所含大量Na+能与海藻纤维中的Ca2+发生离子交换，破坏纤维的晶区结构。生理盐水中钠离子的含量最高，所以海藻纤维对生理盐水的吸湿性最强。由于A溶液中含有的钙离子在一定程度上抑制了Na+与Ca2+的离子交换，因此海藻纤维对A溶液的吸液量比生理盐水稍低。

表3 海藻纤维、棉纤维和甲壳素纤维的吸湿性

2.1.3 海藻纤维的力学性能

通过单纤强力测试，得到海藻纤维的力学性能，从而得到海藻纤维与棉纤维混纺制纱线时的各项力学性能参数。为了分析纤维吸湿对其力学性能的影响，则分别测试实验条件下的纤维与完全浸润(在蒸馏水中浸润3min)条件下的纤维，从而对比研究。

实验条件为：标准大气压、温度19.5℃、相对湿度41%，实验结果如表4所示。

表4 单纤维力学性能测试指标

通过实验可以得到，海藻纤维属于低强低伸型纤维，断裂强度及断裂伸长都不高，同时通过标准差和变异系数可知，试验用海藻纤维的单根强力差异比较明显，原因如下：首先，纤维未形成广泛生产，所购原料为小批量，纤维不匀控制不够准确所导致；同时，因海藻纤维较为脆硬，在撕扯过程中容易发生断裂，导致所测试纤维已经发生损伤；而且海藻纤维中具有较多海藻酸钠的粉末，这些可溶于水的物质在纤维表面形成的层膜不匀。这些原因都可能导致纤维的强力及伸长不匀较大。

同时，可以看出，水分对海藻纤维的力学性能有一定的影响。湿态海藻纤维的断裂强度略大于干态，伸长则有较大提高。同时，湿态纤维的单纤维力学性能不匀也比较明显，但略低于干态纤维。当水分进入纤维内部时，会改变纤维内大分子的排列状态，使纤维大分子的取向度有所改变。这种变化会增强纤维的弹性伸长。因此，可以得出结论，水分对纤维的力学性能有一定影响，在后续纺纱工艺过程中需要注意。

表5体现了海藻纤维与其他常用纤维的力学指标。

表5 各种常用纤维的力学性能指标

注：表5来自于《纺织材料学》(姚穆，北京：中国纺织出版社，1980)

通过数据可以看出，海藻纤维的强力最弱，伸长也较小。与棉相比，其强力小于棉，伸长与棉相似，因此混纺纱线拉伸时，海藻纤维更容易断裂。在混纺工艺中，则会受到机械破坏更多。因此，在设计混纺纱线工艺时，要注意海藻纤维的含量，在满足要求的前提下，越低越好。在后续纺纱过程中要注意，应注意选用对纤维的损伤。

2.1.4 海藻纤维的阻燃性能

纤维阻燃性的研究目的是为了研究海藻纤维在遇到明火时的状态特征，从而分析并确定混纺纱线的阻燃能力。阻燃性的研究对于纤维大批量生产时的防火、防静电要求有着一定联系。

海藻纤维阻燃性能测试结果：接近火焰，不缩不熔；在火焰中，缓慢燃烧；离开火焰，停止燃烧，说明自身具有一定的阻燃性。这是由于：(1)海藻纤维分子中的-COOH与-OH在加热过程中脱水环化，改变了纤维分子结构，提高了热裂解温度和炭化程度，可抑制热裂解，减少可燃性气体的产生，很多高聚物都有此性质[8]；(2)燃烧过程中生成的CaO和CaCO3沉淀覆盖在纤维表面，使氧气与纤维隔离，阻止燃烧反应的进一步发生[9]；(3)大分子中钙、钠离子会在燃烧过程中形成碱性环境。另外，多糖环含有羟基，在二者的共同影响下，海藻酸大分子发生脱羧反应生成不燃性CO2[10]。

2.2 海藻纤维化学性能分析

2.2.1 海藻纤维耐酸碱性

耐酸碱性是纤维化学性能中的一项重要指标，通过实验可以得出海藻纤维的耐酸碱性，从而研究该纤维的医用性能，同时针对海藻纤维与棉混纺纱线的医用纱布的使用提供一定的参考。

海藻纤维在不同种类和浓度酸、碱溶液中的变化情况见表6、表7[7]。可以看出，纯海藻酸盐纤维不耐强酸，室温条件下，在强酸溶液中会发生溶胀，在弱酸溶液中虽不会溶胀，但当弱酸温度达到60℃，纯海藻酸盐纤维会发生轻微溶胀。海藻纤维的耐碱性更差，当温度为60℃时，海藻纤维处于溶解状态。这可能是由于纤维的离子交换性，即纤维中的钙离子与碱溶液中的钠离子发生交换，形成可溶性的海藻酸钠所致。

表6 酸对海藻酸盐纤维外观形态的影响

表7 碱对海藻酸盐纤维外观形态的影响

2.2.2 海藻纤维耐盐性

海藻纤维对于含有Na+的盐都会发生溶胀，产生溶胶效果。因人体伤口析出液中含有NaCl等盐，因此海藻纤维的耐盐性对于纤维的医用性能有较强的影响。

实验分为四组，分别将0.2g海藻纤维溶于蒸馏水、0.1%、0.3%、0.5%和0.9%浓度的NaCl溶液50ml中。如图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)和图1(e)表征纤维溶解5min后的状态。

(a)溶剂为蒸馏水

(b)溶剂为0.1%NaCl溶液

(c)溶剂为0.3%NaCl溶液

(d)溶剂为0.5%NaCl溶液

(e)溶剂为0.9%NaCl溶液

如图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)和图2(e)分别是上述五组实验经过处理后的海藻纤维在光学显微镜下的形态×200。.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

通过实验可知，海藻纤维在低浓度钠离子的作用下凝胶现象十分明显，当NaCl浓度大约小于1%时，随着NaCl浓度的增加，纤维所凝胶体的量逐渐增多，接近1%以后，凝胶量趋于饱和。在溶液中，海藻纤维和钠离子发生离子交换，即是海藻纤维与伤口渗出液中的钠离子交换，这种性质是海藻纤维应用于伤口渗出物接触的高科技绷带生产的基础。

2.3 吸湿对海藻纤维性能的影响

通过上述实验可以看出，海藻纤维中水分的含量对于纤维各项性能具有较大的影响。纤维在完全干燥状态下的强力下降明显，湿润状态下强力略有增加；湿态纤维的纤维伸长率大于干态纤维伸长率；海藻纤维吸湿后其纤维膨胀明显，能够产生一定的凝胶，在有Na+作用下凝胶作用明显。

因为海藻纤维具有这样的性能，在将其纺制为医用纱布后，对于伤口的愈合有很好的辅助作用，纤维会与机体伤口渗出液反应产生凝胶，这层凝胶会使伤口一直保持在一个湿润的环境下，有利于伤口细胞的分裂，从而有助于伤口愈合。因为纤维在吸水后，尤其是吸收含有钠离子的溶液后纱线强力会下降，从而影响纱布的清除。因此，采用与棉混纺的方式，这样会让纱布在潮湿状态下保持强力，同时棉纤维的高吸水性也不会影响所纺纱布的医用性能。

2.4 海藻纤维理化性能对纱线工艺影响

通过纤维的一系列性能的实验研究可知，海藻纤维的可纺性较差，这与实验前预测相符合。因海藻纤维的线密度大，原棉线密度小，在纱线加捻时，原棉纤维在纤维轴向挤压力的作用下更易进入纱线内部，从而使海藻纤维分布靠外，这使海藻纤维适合用作医用材料。但其本身较为脆硬，在受到摩擦时会更容易发生断裂等破坏，导致纤维毛羽较多，且多数为海藻纤维。在纱线生产过程中，因机械的摩擦，海藻纤维更易脱离形成落杂。因此，纤维的混纺比会有所变化。因所制备的为混纺纱线，故纤维强力要弱于同线密度的棉纱，所纺纱线的号数不易过小，同时可适当增加捻度以增强纱线强力。