不同基团对海藻纤维亲水性能的研究

不同基团对海藻纤维亲水性能的研究

作者：朱顺生张立杰李道浩王鲁静夏延致

来源：《科技视界》2015年第02期

【摘要】海藻纤维在交联成型过程中，海藻酸钠分子中的羟基和羧基部分参与了螯合结构，影响了其亲水性。本文在海藻酸钠粉末中掺杂了不同量的CMC、PVA和PVP，制备成纺丝液，利用湿法纺丝技术制备混纺海藻纤维，通过对纺丝液和纤维形貌的分析，结合对混纺海藻纤维亲水性实验的测试，证实了通过添加含有亲水性基团的材料可用来提高海藻纤维的亲水性能。

【关键词】海藻纤维;亲水性;混纺;湿法纺丝

0 前言

纤维材料因为吸收表面大、容易加工和柔软性好等特点，已经被广泛的用于制作医用敷料。天然原料制成的纤维在伤口表面具有良好的生物相容性和潜在的生物活性，且无毒，是研究最热的、最有前途的医用敷料纤维[1]。海藻酸钠是从海洋植物中提取的生物大分子，由海藻酸钠制成的海藻纤维具有高止血性、高透氧性、凝胶阻塞性、生物相容性等。[2]近年来，由海藻纤维制成的医用敷料在治伤领域内取得了很大的成就，在西方医疗界，海藻酸医用敷料已经属于新型敷料之一。海藻酸医用敷料通过给伤口提供一个潮湿的环境，这比其他的传统纱布更能促进伤口的愈合。[3]

纤维材料的吸湿性，即亲水、吸水性是最突出的性能，这将直接影响医用敷料的吸湿性。由于海藻纤维中的G段可以与Ca2+形成稳固的“蛋壳结构”，会造成吸水倍数低，同时有部分羟基和羧基参与了螯合结构，将会影响海藻纤维本身的吸湿性。[4]到目前为止，还没有针对海藻纤维吸湿性的研究，本文通过混合几种亲水性医用材料，制得功能性海藻纤维，提高了海藻纤维吸湿性，能更好的把海藻纤维应用于医用敷料方面。

1 实验部分

1.1 原料

海藻酸钠粉末（山东结晶集团股份有限公司），PVA（2488，广州银环化工有限公司），PVP（AR，国药集团化学试剂有限公司），CMC（AR，国药集团化学试剂有限公司）。

1.2 实验仪器

湿法纺丝设备（自制）;TM-3000日立台式扫描电镜;DHG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱（上海一恒科技有限公司）。TG1650-WS离心机（上海卢湘仪），ME104E天平（METTLER TOLEDO），WB2000-M磁力搅拌器，SNB-1粘度计（上海方瑞仪器有限公司）。

1.3 实验过程

亲水性医用材料具有亲水基团，羟基，羧基，氨基是最常见的亲水基团，实验中选取了PVA，CMC和PVP作为亲水性应用材料来制备混纺的海藻纤维，通过对比基团对海藻纤维的亲水性影响，为海藻纤维的亲水性研究提供依据。

1.3.1 制备混纺海藻纤维

按照PVA粉末质量分数0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%，3%、4%、5%的比例取样，与海藻酸钠粉末混合均匀，分别用去离子水配制混合粉末质量分数4%的溶液500ml，在35℃恒温水浴条件下搅拌3小时，静置24小时脱泡，制成纺丝液。

用旋转粘度计测量纺丝液的粘度变化，分析纺丝液的可纺性。

将纺丝液通过喷丝头挤出到Ca2+浓度为5%的凝固浴中，通过拉伸，清洗，卷绕，烘干，制得混合海藻纤维样品。

PVP粉末和CMC粉末按照上述实验方法，进行实验，制备混合海藻纤维样品。

1.3.2 回潮率测试

一般来说，纤维材料的吸湿多少，取决于纤维材料的种类和所处的大气环境。纤维材料的吸湿性指标通常用回潮率表示。纤维材料的回潮率是指纤维在各种大气环境下自然吸收水分的能力，根据使用的目的的不同，还可分为标准大气条件下回潮率和公定回潮率。[5]本实验是在标准大气条件下（温度为20℃±2℃，相对湿度65%±2%）测试的回潮率，采取直接的测试法，用电子天平称出纤维材料的干湿重，应用公式W=■（W为纤维的回潮率，G为纤维的湿重，G0是纤维的干燥）是计算纤维的回潮率大小。

1.3.3 含水率测试

纤维材料的含水率是指纤维吸水后能保住它而不让皮肤感觉湿润的界限率，因此含水率的高低对于面料穿着舒适度具有重要影响。将海藻纤维浸泡在装有蒸馏水的烧杯中，使之完全浸润，待半小时后取出放入离心机中脱水（5000r/h，10min），取出用电子天平称量。称量后放入干燥箱内干燥，取出称量，记录。应用公式R=■（R为纤维的含水率，G1为纤维脱水后的湿重，G2为纤维干燥后的干重），来计算纤维的含水率。

1.3.4 吸液量测试

纤维的吸液量是指纤维容纳液体的能力，作为医用敷料的材料，海藻纤维的吸液量将直接影响敷料的吸液量，这是敷料在应用上是很重要的一个特征。实验中，把海藻纤维浸泡在装有蒸馏水的烧杯中，使之完全浸润，半小时后取出悬挂起来，直至不在有水滴滴下为止，称量记

录。应用公式X=■（X为纤维的吸液量，G2为纤维干燥后的干重，G3为纤维浸泡后的湿重），来计算海藻纤维的吸液量。

2 结果与讨论

在纺丝过程中，当CMC质量分数超过1%时，在相同的实验条件下，不能得到连续的纤维，因为海藻酸钠与Ca2+形成蛋壳结构，羧基参与了其中的螯合结构，添加CMC后，CMC 中的部分羧基会参与螯合结构，不再形成刚性的蛋壳结构，因此海藻酸钠不会形成凝胶，所以CMC不适合用作提高海藻纤维的亲水性研究。

2.1 纺丝液粘度分析

纺丝液的粘度是海藻纤维纺丝成型的关键，用掺杂法制备纺丝液的过程中，掺杂后的粘度直接影响后续的纺丝过程，通过旋转粘度计对各个掺杂量的混合纺丝液进行测量（如图1所示）。

图1 掺杂后纺丝液粘度变化

如上图所示，掺杂PVA，PVP后，纺丝液的粘度都发生了比较明显的变化，粘度下降幅度较大。分析其原因：纯海藻酸钠纺丝液中，海藻酸钠大分子通过次价键（静电相互作用，氢键）[6]，分子链之间相互作用较强，宏观表现为粘度较大。掺杂其他分子后，会部分打乱分子链间的相互作用，粘度降低。粘度发生了变化，对纺丝过程中纤维的成型会造成一定的影响。

2.2 纤维外貌的分析

用SEM观察了混合海藻纤维的形貌，以便分析掺杂后对纤维成型的影响（如图2所示）。

如图2所示，纯海藻纤维表面和掺杂后的混合海藻纤维表面都有着明显的沟壑，当掺杂量达到5%时，虽然粘度有了明显的下降，但是纤维的过程成型没有受到太大的影响，形貌变化不大。

2.3 亲水性分析

对混纺的海藻纤维，按照上述的试验过程和方法，每组实验重复三次取平均值，得到数据，处理成点线图后对比分析（如图3所示）。

如图3所示，黑色曲线代表掺杂PVA，红色曲线代表掺杂PVP。海藻纤维添加PVA和PVP后，混合海藻纤维在回潮率、含水率和吸液量方面较纯的海藻纤维有了明显的提高，掺杂