甲壳素纤维的结构和性能

甲壳素纤维的结构和性能

1. 1 甲壳素的发现历程和命名

1811年，法国一位研究自然科学史的H. Braconnot 教授，用温热的稀碱溶液反复处理蘑菇，最后得到一些纤维状的白色残渣，他以为从蘑菇中得到了纤维，并把这种来源于蘑菇的的纤维称之为Fungine，意即真菌纤维素。

1823年．又一位法国科学家A. Odier从甲壳类昆虫的翅膀中分离出同样的物质，他认为此物质是一种新型的纤维素，使命名为Chitin。1843年，法国的A. Payen发现Chitin与纤维素的性质不大相同。同年，法国人J. L. Lassaigne发现Chitin中含有氮元素，从而证明Chitin不是纤维素，而是一种新的具有纤维性质的化合物。1878年，G. Ledderhose从Chitin 的水解反应液中检出了氨基葡萄糖和乙酸；1894年，E. Gilson进一步证明了Chitin中含有氨基葡萄糖，而后来的研究表明，Chitin是由N-乙酰氨基葡萄糖缩聚而成的，或者说组成Chitin的单体是N-乙酰氨基葡萄糖。从1811年发现Chitin到研究清楚其结构，前后几乎用了将近100年的时间。

Chitin这个词是由希腊文衍变而来的，意即“被膜、铠甲”。Chitin 译为中文，叫甲壳素。甲壳素是由N-乙酰-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖以β-1，4糖苷键形式连接而成的多糖，也就是N-乙酰-D-葡萄糖胺的聚糖。

1. 2 甲壳素的存在

地球上存在的天然有机化合物中，数量最大的是纤维素，其次就是甲壳素，前者主要由植物生成，后者主要由动物生成。估计自然界每年生物合成的甲壳素将近100亿吨。甲壳素亦是地球上除蛋白质外数量最大的含氮天然有机化合物。仅此两点，就足以说明甲壳素的重要地位。

2.1甲壳素纤维的结构分析

经结构分析，甲壳素是自然界中唯一带正电荷的一种天然高分子聚合物，属于直链氨基多糖，学名为[(1，4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖]，分子式为(C8H13NO5)n，单体之间以β(1→4)甙键连接，分子量一般在106左右，理论含氮量6.9%。其分子结构特点为：氧原子将每个碳原子的糖环连接到下一个糖环上，侧基团"挂"在这些环上。甲壳素分子化学结构与植物中广泛存在的纤维素非常相似，所不同的是，若把组成纤维素的单个分子棗葡萄糖分子第二个碳原子上的羟基(OH)换成乙酰氨基(NHCOH3)，这样纤维素就变成了甲壳素，从这个意义上讲，甲壳素可以说是动物性纤维。

甲壳素与壳聚糖同纤维素有着相似的结构，是长链型高分子化合物，它们可以看作是纤维大分子中第2碳原子上的羟基（—OH）被乙酰胺基（—NHCOCH2）或氨基（—NH2）取代后的产物。它们的化学结构如图。

图纤维素、甲壳素和壳聚糖的化学结构式

我们都知道：形态结构和超分子微细结构是研究纤维的基础。科学研究者们利用扫描电镜、x-射线衍射、红外光谱等现代测试方法对该纤维的形态结构和超分子结构进行了研究。甲壳素纤维横截面形态是不规则的椭圆形,纵向有孔洞;其内部分子组成与纤维素类似。该纤维的结晶度为34.1%,聚合度为285,表征取向度的双折射率为0.026。不同方法制得的甲壳素纤维,这些指标会有所不同。

2.2甲壳素纤维的各种物理化学性能

甲壳素纤维有良好的吸湿性,平衡回潮率为11.56%。对于甲壳素纤维的物理机械性能进行测试可知,它的强度低于棉的,断裂伸长率为4.51%,初始模量为95.20。卷曲性不是太好,卷曲弹性回复率为51.33%。该纤维可与棉和粘胶等纤维混纺。根据甲壳素纤维的结构和特性,研究人员对甲壳素纤维的直接染料、活性染料的染色性能进行了研究。他们发现：甲壳素纤维具有良好的染色性能,在直

接染料中的固色率可达到96%以上。该纤维在活性染料中有较高的上染速率和吸附率。

2.2.1 烧碱对甲壳素纤维强力和抗菌性能的影响

由表1、表2、表3可知。室温下．甲壳素纤维在烧碱浓度不大的情况下．其断裂强力和抗菌性能影响不大。但是，在220 g／L烧碱中，特别是处理了10 min 后，其断裂强力和抗菌性能下降比较明显。所以．甲壳素与棉混纺织物在前处理中．特别是在强碱情况下的丝光处理．时间不宜过长。

表1 烧碱质量浓度对甲壳素纤维强力的影响

注：未经处理甲壳素纤维强力为1．89 cN

表2 烧碱浓度对甲壳素纤维抗菌性能的影响(金黄葡萄球菌)

注：s为0．75 g的棉纤维做参照

表3 烧碱浓度对甲壳素纤维抗菌性能的影响(大肠杆菌)

注：s为0．75 g的棉纤维做参照

2.2.2双氧水浓度对甲壳素纤维的影响

由表4可知．双氧水浓度对甲壳素纤维的影响比较明显，当双氧水质量浓度超过2 g／L时．纤维的强力发生显著的下降，同时纤维颜色泛微黄．当质量浓度达到15 g／L，由于氧化水解的作用．分子键发生断裂。纤维的强力和抗菌性能大大的下降．所以在前处理的漂白中，双氧水最好控制在2 g／L以内。

表4 双氧水质量浓度对甲壳素纤维强力和抗菌性能的影响

注：试样在100℃．pH值为11的溶液中反应30 min

2.2.3焙烘温度和染色对甲壳素纤维强力和抗菌性能的影响

注：E，E1，E2分别为在150℃、180℃、200℃下焙烘3 min的甲壳素纤维．F为在200℃下焙烘30 min的甲壳素纤维。G为汽巴克隆活性染料染色的甲壳素纤维．H为弱酸性染料染色的甲壳素纤维。

由表5可知。焙烘温度对甲壳素纤维的影响不明显。但是在酸性染料染色后，纤维的强力却大大的下降．而抗菌性能却反而提高，这是由于甲壳素纤维在酸性条件下容易水解，而酸性却有利于抗菌。

3.0、甲壳素纤维的纺纱性能与工艺

甲壳素长丝可用于捻制或编制成医用可吸收缝合线或用于织造多种针织物或机织物。短纤维经过开松、梳理成网、叠网、针刺或水刺等加工可制成各种医用敷料，同时甲壳素短纤维还可进行纯纺或与棉、毛、麻、丝及其它化纤混纺，用于制作各种保健内衣，童装、运动衣、抗菌防臭袜及床上用品等。

用甲壳素短纤维纺纱，纺纯甲壳素纱确有一定的难度，因此大多数采用与其他天然纤维或化学纤维进行混纺的工艺路线。