甲壳素纤维结构与性能研究Yd14512

翁毅 浙江纺织服装职业技术学院，浙江宁波315211

收稿日期：2011-05-27

作者简介：翁毅(1964-)，男，浙江诸暨人，硕士，副教授，主要从事纺织材料及工艺的研究。

原载: 现代纺织技术,2011/6;7-10

【摘要】对甲壳素纤维的结构性能进行了测定分析。研究表明：甲壳素纤维的纵向有沟槽，有些纤维的芯层存在空隙。甲壳素纤维的干、湿态强力比毛纤维高，干态强力基本与粘胶纤维相近。甲壳素纤维的湿强明显低于干强，但下降的幅度要低于普通粘胶。甲壳素纤维的表面比较光滑，卷曲性能较差，抱合力较差，在纺丝时需严格控制湿度。总体看目前的甲壳素纤维还需要进一步提高品质，以满足高品质甲壳素纤维类纺织产品的开发生产。

【关键词】甲壳素纤维；结构；强力；纤维品质

【中图分类号】TS101.921 文献标识码：A 文章编号：1009-265X(2011)06-0007-04

甲壳素又称几丁质，其化学名称为聚乙酰胺基葡萄糖。甲壳素广泛存在于虾蟹等水产品和昆虫等节肢动物的外壳中，据估计每年由生物合成的甲壳素约有100亿t，是地球上除纤维素之外最丰富的天然高分子化合物，是一种取之不尽、用之不竭的再生资源，也是除蛋白质以外数量最大的天然含氮化合物[1]。甲壳素是目前自然界中被发现的唯一一种带正电荷的动物天然高分子材料，其分子中带有不饱和的阳离子基团，因此对带负电荷的各类有害物质、有害细菌有强大的吸附作用，这样就能对有害细菌, 的活动进行抑制，使之失去活性，从而达到抗菌的目的[2]。甲壳素对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等均有抑制作用。近10年来国内外科学家都将甲壳素的研究作为人类生命的第六要素来开发(蛋白质、脂肪、糖类、维生素、矿物质、甲壳素)。

纯甲壳素是一种无味无毒的白色或灰白色半透明固体，经浓碱处理，脱去其中的乙酰基，称之为甲壳胺或壳聚糖，在农业、废水处理、纺织印染行业、生物医学、食品、化妆品等领域均有很高的应用价值。

在纺织应用领域，甲壳素作为抗菌功能整理剂已有很多研究报道。甲壳素纤维已有商业化产品，但在应用上还不广泛。本文对目前一种市售甲壳素纤维的结构性能进行分析研究，供生产实际参考。

1 实验材料与实验方法

1.1 实验材料

实验纤维材料的基本性能参数及供应商见表1。

表1 实验用纤维规格及其供应商

纤维种类	规格		供应商
	平均细度／dtex	主体长度／mm
甲壳素	1.37	40	潍坊甲壳素纤维公司
棉花	1.32	35.6	新疆自治区生产建设兵团代销社
粘胶	1.7	38	新乡白鹭化纤集团有限公司
涤纶	1.56	38	中国石化仪征化纤有限公司
羊毛	4.97	57	新疆天时利商贸公司

1.2 测试方法

1.2.1 纤维形态结构测试

甲壳素纤维的形态结构测试采用扫描电子显微镜来观察。

将纤维固定在试样台上，用DM2000型表面处理机进行纤维表面镀金处理，用JEOL公司生产的JSM25610LV型扫描电子显微镜进行纤维形貌的观察，并拍摄照片。

1.2.2 机械物理性能测试

纤维的机械物理性能测试在LLY-06E电子单纤维强力仪上进行，测试条件为温度(2O±2)℃，相对湿度65±3 %，除湿态强度外，在测试前所有的纤维均需在此条件下至少平衡24h。甲壳素纤维的测试指标有断裂强度、断裂伸长率、初始模量及断裂比功，并与棉纤维、粘胶纤维等的机械物理性能进行对比。采用GB／T1437-1985(棉)、GB／T4711-1984(毛)、GB／T9997-1988(化纤)等标准进行纤维性能的测定。

1.2.3 卷曲性能测试

卷曲性能采用YG36L型纤维卷曲弹性仪进行测试。反映卷曲性能的主要指标有：卷曲数、卷曲率、卷曲弹性回复率、卷曲回复率。卷曲数是指单位自然长度内的卷曲数，是反映卷曲多少的指标；卷曲率是指纤维单位伸直长度内，卷曲伸直的长度所占的百分率，它与卷曲数密切相关；卷曲弹性回复率是指纤维经加载卸载后，卷曲的残留长度对卷曲伸直长度的百分率，是反映卷曲牢度的指标；卷曲回复率是指纤维经加载卸载后，卷曲的残留长度对伸直长度的百分率，也是反映卷曲牢度的指标[3]。

试验时，从试样中逐根钳出纤维，一端粘在长方形空心金属框上，每个试样测30根。在取样和粘贴试样过程中，保持纤维原有的卷曲。每根纤维下端加0.0018cN／tex的轻负荷预张力，然后将空心框插进卷曲数测定仪内。转动移动器，计数纤维25mm内的卷曲数。具体数据按以下公式进行计算：

Jn=Ja/ (2×L0)×10 J=(J1-L0)/L1×100% Jw=(L1-L2)/L1×100% Jd=(L1-L2)/(L1-L0)×100%

(1) (2) (3) (4)

式中，Jn 为纤维卷曲数(个／cm)；J为卷曲率( )；Jw 为纤维卷曲回复率(% )； Jd为纤维卷曲弹性率( )；Ja 为纤维在测试长度内全部卷曲的波峰和波谷数之和；L0 为纤维在轻负荷(0.0018cN／tex)下测得的长度(ram)；L12为纤维在重负荷(0.0883cN／tex)下测得的长度(ram)；L2为纤维在重负荷(0.0883cN／tex)下保持30s后卸载，回复2min，再在轻负荷(0.0018cN／tex)下测得的长度(mm)。

1.2.4 导电、吸湿性能测试

为了使纤维能顺利纺纱，对化学纤维的质量比电阻应控制在10⁹Ω·g／cm²以内。甲壳素纤维的回潮率采用烘干称重法进行测试，烘箱为YG747型快速八篮烘箱。采用YG321型纤维比电阻仪测试纤维的表面比电阻来表达甲壳素纤维的导电性能。测试条件为温度(20±2)℃，相对湿度65±3 %。

2 实验结果与分析

2.1 甲壳素纤维的形态结构

甲壳素纤维的纵向表面形态如图1所示。

A b

C d

图1 甲壳素纤维的纵向表面形态

从图l可以看出，甲壳素纤维有纵向凹凸结构，表面不光滑，缺陷较多。图1(a)和图1(b)为通常的甲壳素形态结构；图1(c)和图1(d)为表面有较多缺陷的纤维形态结构。纤维不光滑会使纤维表面摩擦系数得到提高，对纺纱过程中纤维的抱合有利，但过多的纤维缺陷，会使纤维机械薄弱点增加，纤维的强度下降，也会使纤维的可纺性能劣化。图2为纤维的截面形态结构。

A b c

图2 甲壳素纤维的截面形态结构

从图2可以看出，甲壳素纤维的截面圆度不好，形态不规则。从甲壳素形态看，目前的甲壳素纤维成形并没有达到理想状态。甲壳素纤维的品质仍然有较大的提升空间。有待于纺丝工艺的改进，生产更高品质的甲壳素纤维。

2.2 甲壳素纤维的物理机械性能

甲壳素纤维与其它几种纤维的机械物理性能对比见表2。

表2 甲壳素纤维与几种常用纤维的机械性能比较(平均值)

纤维种类	断裂强度/(cN/dtex)		断裂伸长/%		初始模量/(cN/dtex)	断裂比功/(cN/mm)
	干态	湿态	干态	湿态		干态	湿态
甲壳素	1.98	1.64	20.5	17.4	22.1	4.76	3.51
棉花	3.22	3.81	9.15	13.4	80.65	5.51	6.42
粘胶	2.12	1.28	20.7	15.4	22.3	3.18	2.36
涤纶	4.03	4.23	35.1	27.4	24.1	14.19	8.74
羊毛	1.54	1.38	23.1	30.2	22.5	7.28	5.05

由表2可知，甲壳素纤维的干、湿态强力比毛纤维高，干态强力基本和粘胶纤维相近。甲壳素纤维经过吸湿后，强力明显下降，但下降的幅度要低于普通粘胶。在纺纱过程中应适当控制其含湿量，以保证纺纱过程的顺利进行。纤维断裂伸长率的大小与其结晶度、取向度、分子间力的大小等密切相关，甲壳素纤维湿态断裂伸长率比粘胶的湿态伸长率要高。因此，纺纱时应注意它的干湿态性能变化。

初始模量的大小表示纤维受拉伸力时的抵抗变形能力。断裂比功的大小说明纤维的韧性，当断裂比功大，纤维在拉伸时能吸收较大的能量，要破坏它需作较大的功，也反映纤维的韧性较好，而且耐磨，其制品一般比较坚韧。从表2数据可以发现，甲壳素纤维的断裂比功在干、湿态时均较粘胶纤维大，而湿态时下降较多。这表明，甲壳素纤维的韧性优于粘胶纤维，其织物的耐磨性也可能要比粘胶纤维制成的织物好，但与羊毛与涤纶纤维相比却较差。

2.3 甲壳素纤维的卷曲性能

纤维的卷曲数直接影响纤维的摩擦力和抱合力。卷曲数过多，会引起纤维间的抱合力过大，产生静电干扰和损伤纤维；卷曲数过少，则纤维间的抱合力差，影响纺织加工和成纱质量，一般化纤的卷曲率控制在10 %～15%左右。甲壳素纤维与其它几种常用纤维卷曲性能比较见表3。

表3 甲壳素纤维与几种常用纤维的卷曲性能比较

纤维种类	卷曲数 /(个/cm)	卷曲率 /%	卷曲弹性 回复率/%	残留卷曲率 /%
甲壳素	2	8.4	68.5	5.9
棉花	3.2	10.9	83.2	65.2
粘胶	1.2	5.8	64.8	3.6
涤纶	5.2	21.3	89.6	18.7
羊毛	4.8	11.2	85.1	12.2

卷曲弹性回复率是考察卷曲牢度的指标，一般70%～80%的卷曲弹性回复率有利于纺纱。残留卷曲率表示纤维受力后的耐久程度，是考察卷曲牢度的指标之一，其值一般在10 左右纤维的纺纱性能较好。从表3可以发现，甲壳素纤维的卷曲率较低，这表明甲壳素纤维的抱合性较差，对纺纱及成纱强力都会有不利影响，在制订纺纱工艺时需适当考虑。

2.4 甲壳素纤维的导电、吸湿性能

纤维的吸湿性是关系到材料性能和工艺加工的重要指标，纤维吸湿后，会引起一系列性质的变化，而纤维的导电与吸湿性两者密切相关。甲壳素纤维与其它几种常用纤维的导电、导湿性能对比见表4。

表4 甲壳素纤维与几种常用纤维的导电、导湿性能比较

纤维种类	回潮率/%	质量比电阻/(Ω·g/cm^2)
甲壳素	12.0	10^6-10^7
棉花	8.5	10^6-10^7
粘胶	13.0	10^7-10^8
涤纶	0.4	10^13-10^14
羊毛	16.0	10^8-10^9

由表4还可以看出，甲壳素纤维的表面质量比电阻明显低于涤纶纤维；甲壳素纤维吸湿性与棉纤维、粘胶基本相似，这是因甲壳素纤维含有大量羟基，具有很高的亲水性。此外，甲壳素纤维的质量比电阻值较低，远低于10⁹Ω·g／cm²，故甲壳素纤维在加工中不易产生静电。

良好的抗静电性能使得甲壳素纤维制作的服装穿着时比较舒服，不会有吸附在身上的贴身感，不易吸附灰尘，具有良好的服用性能。

3 结论

a)甲壳素纤维表面纵向有沟槽，其截面芯层有空隙；

b)甲壳素纤维的强力较低，且纤维吸湿后强力下降较多；

c)甲壳素纤维的表面比较光滑，卷曲性能较差，抱合力较差，对纺纱加工有不利影响；

d)甲壳素纤维吸湿性较好，在后加工及使用过程中不易产生静电。但由于湿强低，在纺纱时要严格控制湿度；

e)为了生产更高品质的甲壳素产品，目前的甲壳素纤维形态结构及品质需要进一步改善。

参考文献：

[1]许树文，吴清基.甲壳素纺织品[M].上海：中国纺织大学出版社，2002：48—72.

[2]沈德兴，郯志清，孙瑾.甲壳胺纤维的结构与性能[J]中国纺织大学学报，1997，23(1)：63—69.

[3]李汝勤，宋钧才.纤维和纺织品的测试原理与仪器[M]上海：中国纺织大学出版社，1999.