【doc】高强度海藻纤维的性能研究

【doc】高强度海藻纤维的性能研究 高强度海藻纤维的性能研究 第26卷第1期 2009年1月 印染助剂 TEXTILEAUXIUARIES Vo1.26No.1 Jan.2009 高强度海藻纤维的性能研究 张传杰,朱平,王怀芳 (1.武汉科技学院"新型纺织 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 绿色加工及其功能化"教育部重点实验室,湖北武汉430073; 2.青岛大学"纤维新材料及现代纺织"国家重点实验室培育基地,山东青岛266071; 3.中原工学院纺织学院,河南郑州I450007) 摘要:目前生产的海藻纤维强力较差,限制了其应用范围.采用湿法纺丝方法,制备了高强度的海藻纤维.研究了自制海藻纤 维的形态结构,结晶度,物理机械性能,吸湿性能,热性能以及燃烧性能,观察到该高强度海藻纤维粗细均匀且纵向 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面有沟槽,横截 面是不规则的锯齿状且无较厚的皮层存在,和普通粘胶纤维的截面比较相似.结晶指数为O.28,断裂强度3.63cN/dtex(比棉和粘胶纤维 好),吸湿性能优异,并从理论上分析了海藻纤维自阻燃的机理. 关键词:海藻纤维;高强度;吸湿性能;热性能;自阳燃机理 中图分类号:TQ340.1"42;TQ342+.87文献标识码:A文章编号:1004—0439(2009)01—0015—04 Researchonthepropertiesofalginatefiberwithhighstrength ZHANGChuan-jie1.ZHUPgWangHuai-fangs (1.KeyLaboratoryofGreenProcessingandFunctionalTextilesofNewTextileMaterialsof MinistryofEducation,Wuhan UniversityofScienceandEngineering,Wuhan430073,China;2.LaboratoryofNewFiberMaterialsandModem Textile,theGrowingBaseforStateKeyLaboratory,QingdaoUniversity,Qingdao266071,China; 3.SchoolofTextile,ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China) Abstract:Thepresentalginatefiberhadpoorstrength,whichlimiteditsapplicationfiled.Thepropertiesof thefiberwerestudiedsuchasthemorphologicalstructure,crystallinity,physicalmechanicalproperties,moisture property,thermalproperty,flamingretardance.ThealginatefibersareunifOrminthediametersandhavegrooves onthesurface,whosecrosssectionisirregularsawtoothandhasnothickerskinIayer,whichiSsimilarwiththe generalviscosefiber.ThecrystallineindexofthisfiberisO.28.thebreakingstrengthis3.63cN/dtex.whichare betterthancottonandviscosefiber,themoisturepropertyisexcellent.Themechanismofselfflame—resisting wereanalyzedtheoretically. Keywords:alginatefiber;highbreaking-strength;moistureproperty;thermalproperty;mechanismof selfflame—resisting 自1980年海藻纤维制品应用于医用领域以来, 其优越性得到证实.海藻纤维敷料能加快伤口治愈l】I, 减少伤口气味的散发【2l,加速创面止血I]1.效果明显;其 次,海藻纤维敷料生物相容性好,长期使用不会引起 伤口部位皮肤敏感或过敏反应等不良症状.但据文献 报道前生产的海藻纤维强力较差,限制了其应用 收稿日期: 基金项目: 作者简介: 通讯作者: 范围.本文研究了自制海藻纤维的形态结构,结晶度, 物理机械性能,吸湿性能,热性能以及燃烧性能等. 1实验 1.1材料 海藻纤维(自制).【1 2008-03-06 本研究受国家自然科学基金(50773032)和教育部高等学校博士点基金 (2Oo61o65002)资助 张传杰(1982一),男,河南济源人,助理实验员,研究方向为功能纤维及功能纺织品. 朱平(1957一),男,特聘教授,博士生导师,湖北省"楚天学者". 16印染助剂26卷 1.2设备及仪器 FAVIMATFiberTest型电子单纤维强力仪(德国 Textechno公司);JSM一6390LV型扫描电子显微镜(日本 电子株式会社);TG209型热重分析仪(德国NETZSCH 公司);DMAXRB—II型X一射线衍射仪(日本理学株式会 社);M1354型锥形量热仪(英国兀rr公司)等. 1.3海藻纤维的性能测试 采用电子单纤维强力仪测试纤维的物理机械性 能,并和棉纤维,粘胶纤维等对比坝4试50次,隔距15 mm,预加张力0.3cN,拉伸速度20mm/min. 纤维吸湿性:取一定量的纤维试样,在室温下分别 放入蒸馏水,生理盐水和A溶液【q(英国药典中 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的 模仿了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2.5retool/L) 中,纤维必须浸没达到充分润湿,1h后取出,在自然状 态下排水2—3min.再将试样放入离心机脱水4,5min, 取出纤维试样,迅速称重G..将纤维放入烘箱中烘至 恒重(105,110?,lh),在干燥器中冷却30min后称重 G,纤维的吸湿性用吸液量,表示: ?:×10o% C 采用电子显微镜观察纤维的形态结构;x一射线衍 射仪测试纤维的结晶度,热重分析仪分析纤维的热分 解;锥形量热仪研究纤维的燃烧性能. 2结果与讨论 2.1形态结构 从图l可以看出,海藻纤维粗细均匀且纵向表面 有沟槽,横截面呈不规则的锯齿状且无较厚的皮层存 在,和普通粘胶纤维的截面比较相似.纤维的微观形 貌主要取决于凝固的条件,固化成型过程要脱除大量 溶剂,使得纤维横截面收缩,呈不规则的锯齿状. 一一—一???纵向横截面 图1海藻纤维的电镜照片 2.2结晶度 从图2可以看出,纤维的x一射线衍射图谱有两个 衍射峰:2为l3.23.(晶面间距0.74nm)左右的较强衍 射峰及20=19.02.,30.之间的弥散衍射峰. 嘿 靛 2f.) 图2海藻纤维的X一射线衍射图 采用经验方法I71计算纤维的结晶指数: CI:望:二×100% 嚣. 式中:CI为结晶指数;,23.为XRD曲线20=13.23.左右 的最大衍射峰强度;为XRD曲线20=19.02.处的 衍射强度.根据该公式得出,海藻纤维的结晶指数为 0.28.有报道[81指出,海藻纤维初生丝形成时,钙离子与 大分子中的羧基结合产生的交联作用,破坏了大分子 的结晶结构.使海藻纤维的结晶度低于粘胶纤维. 2.3物理机械性能 从表1,图3可以看出,海藻纤维的断裂强度比棉 纤维和粘胶纤维都要高.原因是海藻纤维超分子结构 的均匀性以及钙离子在纤维大分子间的交联作用[91, 使得海藻纤维大分子间的作用力比较强. 表1海藻纤维,棉纤维,粘胶纤维的物理机械性能 应变/% l一海藻纤维;2一棉纤维;3一粘胶纤维 图3海藻纤维,棉纤维,粘胶纤维的应力一应变曲线 2.4吸湿性 从表2可以看出,海藻纤维的吸湿性能比棉纤维 和甲壳素纤维好,尤其对生理盐水和A溶液(模拟人 体伤口渗出液的组成)的吸湿性能非常优异,宜作伤 口敷料.原因是海藻纤维大分子上的羟基,羧基具有 很强的水合能力,能结合大量的水,而且海藻纤维的 1期张传杰,等:高强度海藻纤维的性能研究17 无定形区较大.另外,溶液中所含大量Na能与海藻纤 维中的Caz发生离子交换,破坏纤维的晶区结构,同时 使海藻纤维中被钙离子封闭的羧基("egg—box"结构 的存在【1or)释放出来,增加纤维的吸湿基团,显着提高 其吸湿性.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.虽然A溶液中钠离子 的浓度和生理盐水中钠离子的浓度一致,但A溶液中 含有的钙离子在一定程度上抑制了Na与Ca的离子 交换,使海藻纤维对A溶液的吸液量比生理盐水稍低. 表2海藻纤维,棉纤维和甲壳素纤维的吸湿性 2.5热分解性能 从图4,5可以看出,海藻纤维和海藻酸钠的热分 解过程相似,都分4步进行:(1)40,200oC,失重率为 23.83%(20.12%),此过程为海藻纤维(海藻酸钠)结合 水的失去并伴随部分糖苷键的断裂;(2)200,420(300) cc,失重率为34.07%(35.74%),该过程是海藻纤维(海 藻酸钠1裂解为较稳定的中间产物,对应着糖苷键的 断裂,相邻羟基以水分子的形式脱去;(3)420(300)一580 ?,失重率为6.05%(9.93%),对应中间产物进一步分解, 面 蕞呈 :? 燃烧时间/s 并脱羧放出CO,产物部分炭化;(4)580,800?,失重率 为15.5o%(13.86%),海藻纤维(海藻酸钠)的炭化物进 一 步氧化分解,最终反应生成Na,0和CaO.[11-121 lUU3oU5ULJ7O0900 温度/? I—TG:2一DTG 图5海藻酸钠的TG,DTG一温度关系曲线 2.6纤维的燃烧性能 海藻纤维是一种自阻燃纤维,燃烧过程中纤维的 炭化程度高,离开火焰即熄灭.海藻纤维与棉纤维的 燃烧性能对比如图6所示. Z 蕞 较 50 40 3O 2O lO - 5 050l5O250350 燃烧时间/s l一棉纤维;2一海藻纤维 图6海藻纤维与棉纤维的燃烧性能对比 从图6可看出,燃烧过程中棉纤维的热释放速率, 总放热量和有效燃烧热都比海藻纤维高很多,而CO 的生成速率却比海藻纤维差,所以,海藻纤维的燃烧性 能比棉纤维差,在燃烧过程中对周围环境(其他可燃 物质)的破坏作用较棉纤维弱,可部分代替需阻燃整 理的纺织品用于特殊领域.而且海藻纤维可生物降解, 与人体相容性好,比经阻燃整理的纺织品具有更广阔 的市场前景.关于海藻纤维的自阻燃机理目前尚未见 报道,笔者认为主要原因是海藻酸钠大分子结构的特 殊性和钙离子的催化作用. 50 褂40 羹3.0lO ,一0 从海藻酸钠的热分解过程可以看出,海藻酸钠热 分解过程中能释放出大量的水和CO,水分子的汽化 吸收大量的热量,降低纤维表面的温度.另外,生成的 水蒸汽和CO属惰性气体,将海藻纤维分解出的可燃 性气体浓度稀释,达到阻燃的效果.虽然海藻酸钠和纤 维素都属于多糖类,但海藻酸钠大分子结构中的羧基 使其具有独特的性能.羧基不但能够吸收空气中的水 分,而且受热分解时又能释放出CO(脱羧作用),另外, 燃烧过程中羧基又可与羟基反应,脱水形成内交酯f其 反应式如下),改变其裂解方式,减少可燃性气体的产 ????加O 山I\ 一H】瓣蕞 l8印染助剂26卷 生,提高炭化程度.所以,海藻纤维自阻燃性能源于海 藻酸钠大分子结构中羧基的存在. 钙离子对海藻纤维自阻燃性的贡献有三方面. (11从图4,5可以看出,在热分解第一阶段,海藻纤维的失重率比海藻酸钠大,而第二阶段却正好相反. 从海藻酸钠和海藻纤维的DTG曲线可以看出,第一阶 段海藻纤维的最大热失重温度比海藻酸钠低但失重 速率却大,第二阶段却相反.原因是海藻酸钠的裂解 是聚合度降低生成活性中间体,然后两平行反应相竞 争的过程.活性中间体在低温下发生脱水反应,释放出 小分子气体并产生芳构化形成一次焦炭;当温度升高 时,活性中间体的分解过程体现在另一竞争反应上,以 生成可燃性气体为主.活性中间体在低温下的反应活 ,海藻酸钠的失重主要是在高 化能比高温下高,因此 温下生成可燃性气体的反应.钙离子的催化作用降低 了活性中间体在低温区的反应活化能,促进了海藻酸 钠生成焦炭的反应,增加了海藻纤维在低温区的失重 率.fl3伺时,海藻酸钠在低温区分解产生的可燃性气体 由于温度较低(低于着火点温度1而挥发,减少了海藻 纤维燃烧过程的热量释放.从图7也可以看出,海藻 纤维第一阶段和第二阶段的热失重速率接近,而海藻 酸钠则差别很大,亦证明了钙离子催化作用的存在. 0 , 一 1 l一3? 一 5 0 基一7 — 9 — 02040608U 时间/min l一海藻酸钠;2一海藻纤维 图7海藻纤维和海藻酸钠的DTG一时间曲线 (2)从图4,5可以看出,海藻纤维第二阶段的裂解 温度范围比海藻酸钠大很多;从图7可看出,海藻纤 维第二阶段的裂解时间比海藻酸钠长,出现最大热失 重速率的时间也要晚,在主体裂解阶段,海藻纤维比 海藻酸钠分解的量少且时间长,意味着海藻纤维分解 速率比海藻酸钠要缓慢得多.原因是钙离子的交联作 用增强了海藻酸钠大分子间的作用力,延缓了大分子 的断裂速率,促进了海藻酸钠大分子间内交酯的生成. (3)从图4,5可以看出,热分解的第三阶段,海藻 纤维的热失重比海藻酸钠少,原因是海藻纤维热分解 过程中,钙离子可以转变成碳酸钙覆盖在纤维表面,阻 止可燃性气体的释放和氧气向纤维内部的扩散,而碳 酸钙分解时吸收部分热量降低纤维表面温度的同时 产生CO,都有利于阻碍海藻纤维的热分解.当温度升 高碳酸钙分解完全后,就丧失了上述作用,造成海藻 纤维第三阶段未分解的部分在第四阶段全部分解,使 得海藻纤维第四阶段的失重率比海藻酸钠大. 3结论 (1)海藻纤维粗细均匀且纵向表面有沟槽,横截面 是不规则的锯齿状且无较厚的皮层存在,和普通粘胶 纤维的截面比较相似.结晶度比粘胶纤维差,结晶指 数为O.28;断裂强度达3.63cN/dtex,比棉和粘胶纤维 高;具有优异的吸湿性能,比棉纤维和甲壳素纤维要 好,尤其是对A溶液(模拟人体伤El渗出液的组成)的 吸收性能非常优异. (2)海藻酸钠的分子结构的特殊性和钙离子的催 化作用,使海藻纤维具有优异的自阻燃性. 参考文献: 【1】WinterGD.Formationofthescabandtherateofepithelizati0nof superficialwoundsintheskinoftheyoungdomesticpig[JI.Natm'e, 1962,193:293—294. 【2】GHEEDM.Hydrogelwounddressingandthemethodofmakingand usingthesame:美国,6861067B2[P].2005—03-01 【3】田建广,夏照帆.创面敷料的研究进展lJ1.解放军医学杂志,2003,28 (5):470—471. 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