甲壳素纤维发展历史及研究现状

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摘要:

本文简要分析了甲壳素的化学结构及性能,对甲壳素和甲壳素纤维的发展历史进行了介绍,并探讨了甲壳素纤维当前的开发状况及应用前景。

关键词:甲壳素;甲壳素纤维;绿色纤维;抗菌性能

1甲壳素的化学结构及性能

甲壳素又名甲壳质,是聚乙酰胺基葡萄糖即聚(1,4)-2-乙酰胺基-2-脱氧-β-D-葡萄糖,其化学结构和纤维素类似(如图1)。甲壳素几乎是以小片状或粉状存在,由于分子内、分子间极强的氢键作用,甲壳素呈紧密的晶态结构,只溶于吡咯烷酮-LiCl,六氟异丙酮等少数有机溶剂中,而难溶于水、稀无机酸碱和其他一般有机溶剂[1-2]。

甲壳素纤维具有抑菌、消炎、止血、促进组织生长等功效[3],是一种具有良好环保和服用性能的绿色纤维。甲壳素广泛存在于低等植物菌类、藻类的细胞,节肢动物虾、蟹、蝇蛆和昆虫的外壳,贝类、软体动物的外壳和软骨,高等植物的细胞壁中,生物合成的资源量高达每年100亿吨,是地球上仅次于植物纤维的第二大生物资源,其中海洋生物的生成量在每年10亿吨以上。用甲壳素纤维制成的医用敷料,可以使肉芽新生,促进伤口愈合。临床上具有镇痛、止血的功效。当植入生物体内或覆盖在创伤表面,引起的生物组织反应小,且可被组织中的酶降解[4]。此外,甲壳素纤维废弃物可自然降解.对环境不会造成污染。

2甲壳素及甲壳素纤维的发展历史

1811年法国研究自然科学史的教授H.Braconnot,用温热的稀碱溶液处理蘑菇,最后得到白色残渣,但他以为那是纤维素,把它称为Fungine,译为真菌纤维素。1823年,法国科学家A.Odier从昆虫的翅鞘中分离出同样的物质,他认为此物质是一种新型的纤维素,便命名为Chitin,译为中文即甲壳素。在此后的相当一段时间内,甲壳素的研究工作都由法国人在进行,但是从甲壳素发现后的100年时间里,全世界只有20篇,而大部分工作都是法国人在做。从上世纪30年代到70年代,甲壳素的研究受到较大的重视,甲壳素的制备、研究取得了长足的进步。1934年在美国首次出现了关于工业制备壳聚糖的专利和制备甲壳素薄膜、甲壳素纤维的专利,并且在1941年制备出了壳聚糖人造皮肤和手术缝合线。上个世纪70年代开始,甲壳素的研究重心转到了日本,从1980年到1990年中,日本几乎每3天就申请一项专利。日本的许多食品和保健品中都添加有甲壳素或其衍生物。

我国从上世纪50年代开始研究甲壳素,但由于受技术和“”的影响,甲壳素的研究工作在1980年前并没有得到实质性的进展。20世纪80年代后期,由于我国重视“短、平、快”项目,而甲壳素的生产正好具有这样的特点。因此,直到现在,甲壳素的发展达到了高潮,形成了“甲壳素热”[5]。

3甲壳素纤维的应用及研究现状

自1992年联合国“环境与发展大会”确定了经济与环境协调发展的可持续发展战略后,绿色意识得到迅速强化并且波及世界各地。随着全球经济一体化进程的加快,目前国际市场对纺织品的环境保护、人体健康等提出了新要求。人们对待纺织用品特别是贴身穿着的内衣,不但要求美观、舒适,而且希望在穿着过程中有益于肌肤健康,甚至还能防病、治病[6]。特别对于纺织品,人们在穿着过程中,会沾上很多汗液、皮脂以及其他各种人体分泌物,同时也会被环境中的污物所沾污,这些污物是各种微生物的良好营养源,尤其在高温潮湿的条件下,成为各种微生物繁殖的良好环境。开发抗菌功能纤维,赋予纺织品抗菌的功能,是近年来国内外纤维改性技术研究内容之一。目前抗菌纺织品生产主要采用两种方式[7]:一种是在本身不具有抗菌功能的织物上进行抗菌后整理。主要是通过浸渍吸附、化学反应、树脂固着、涂层等方式将抗菌剂结合到织物或纤维上,从而赋予织物抗菌功能。另一种是通过纤维改性,制备具有抗菌性能的纤维来织成织物。一般采用共混纺丝法,即是将抗菌有效成分添加到纺丝原液中进行共混纺丝。比较而言,前者加工上较简单,但是抗菌效果持久性差,经多次洗涤后,织物抗菌效果下降,难以满足要求。后者抗菌效果持久,制成的织物手感好,无须后整理,但技术复杂,涉及工程领域广。

目前,甲壳素和甲壳胺纤维已经以许多不同的方式被应用在纺织服装领域。采用的方法大致有交联法、涂层法、湿法纺丝法、共混纺丝法、混纺纱线法等[8]。

(1)交联法是利用交联剂,使甲壳素和甲壳胺与棉纤维结合而制得纤维。这种方法由于采用化学助剂而失去了天然产品的部分特性。

(2)涂层法是将一般纤维在甲壳素和甲壳胺溶液中浸渍后,经脱水、干燥而制得纤维。这种方法存在着随洗涤次数增加而导致抗菌效果下降的问题。

(3)湿法纺丝法是将甲壳素或甲壳胺溶解在溶剂中配成纺丝原液,经喷丝于凝固浴中制成固态原丝,再经拉伸、洗涤、干燥等后处理而得到纤维成品。

(4)目前采用的共混纺丝法有两种。日本富士纺织株式会社生产的Chitopoly产品所采用的是将甲壳胺磨成直径小于5 µm的微细粉末后混入纤维素纤维内而制得共混纤维。但是由于微细粒子的混入,引起纤维的部分物理指标下降。日本Omikenshi公司生产的Crabyon是将人造纤维原料与甲壳素混合后利用共同的溶剂,经湿法纺丝制得的纤维。但是由于生产中采用的是甲壳素,其抗菌效果与甲壳胺相比要低一些。

(5)混纺纱线法是将甲壳素和甲壳胺纤维与其他纺织用纤维以一定的比例混合后纺成纱线,并进一步加工成各种类型的面料。

4结语

甲壳素广泛存在于自然界中,是天然的绿色材料,还具有与生俱来的抗菌功能。此外,甲壳素纤维废弃物可自然降解.对环境不会造成污染。相信不久的将来,随着石油的枯竭以及开发甲壳素纤维技术的不断进步,甲壳素纤维必将成为纺织材料的新宠儿,广受开发商和消费者的青睐。

参考文献:

[1] 张鸿,韩铁民,杨大伟,等.纤维素与甲壳素共混溶液的流变性质[J].大连轻工业学院学报,2001,20(3):171-173.

[2] 何春菊,王庆瑞.9:1的纤维素/甲壳素黄原酸酯溶液流变性能的研究[J].人造纤维,2003(1):23.

[3] 蒋挺大.甲壳素[M].北京:化学工业出版社,2003:3.

[4] 郜宁,窦后松,曾虹.甲壳素和壳聚糖在医用膜剂上的应用[J].华西药学杂志,2004,19(3):209.

[5] 蒋挺大.甲壳素[M].北京:化学工业出版社,2003:4-7.

[6] 秦益民.纺织用甲壳素纤维的研究进展[J].合成纤维,2006(2):7.

[7] 许树文,吴清基,梁金如,等.甲壳素-纺织品[M].上海:东华大学出版社.2006:6.

[8] 郯志清,钱威或,孙瑾,等.甲壳胺溶液流变性质研究[J] .中国纺织大学学报,1997,23(2):21-26.

(作者单位:广州市纤维产品检测院)