海藻纤维的物理性质及特点

（一）海藻纤维的物理性质

纯海藻纤维呈纯白色，表面光滑有光泽，手感柔软，而且纤度均匀。海藻纤维的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，使得海藻纤维大分子间的作用力比较强，纤维断裂强度在1.6～2.6cN/dtex；海藻纤维结构中具有大量羟基，使得海藻纤维具有良好的吸湿性，纯海藻纤维的回潮率为12%～17%。由于糖苷键的不稳定性，纯海藻纤维在高于150℃以上易发生热分解。

（二）海藻纤维的阻燃性

海藻纤维具有本质阻燃特性（不同类型纤维LOI对比如图4-38所示），可以离火自熄，其极限氧指数（LOI）为45%，属于不燃类纤维（按照LOI值的大小，纤维的阻燃程度可以分为五个等级：LOI<21%为易燃，LOI在21%～24%之间为可燃，LOI在24%～27%之间为阻燃，LOI在27%～30%之间为难燃，LOI>30%为不燃）。与各种常用纤维极限氧指数相比，海藻纤维具有卓越的阻燃性能。

图4-38　海藻纤维极限氧指数

图4-39　黏胶纤维及海藻纤维TG及DTG曲线

a—黏胶纤维　b—海藻酸纤维　c—海藻酸钙纤维

海藻纤维的热降解过程与黏胶纤维显著不同（图4-39），其中海藻酸纤维的热降解过程分为三步[71]：第一步发生在50～200℃之间，主要是海藻酸纤维内部结合水的失去和部分糖苷键的断裂；第二步热降解的温度区间为200～480℃，主要是糖苷键的进一步断裂，生成较为稳定的中间产物，相邻羟基以水分子的形式脱去；第三步发生在480℃以上，对应着中间产物的进一步分解，脱羧碳化。海藻酸钙纤维的热降解过程与海藻酸纤维的略有不同，分为四步。第一步发生在50～210℃之间，主要也是纤维内部结合水的失去和部分糖苷键的断裂；第二步发生在210～440℃之间，主要是糖苷键的进一步断裂，生成较为稳定的中间产物，相邻羟基以水分子的形式脱去；第三步发生在440～770℃，对应着中间产物的进一步分解，脱羧部分碳化；第四步发生在770～1000℃，碳化物进一步分解，最终生成CaO。

海藻纤维的本质阻燃特性与海藻纤维中的金属离子有关。海藻酸纤维的极限氧指数为24，属可燃纤维，而含有金属离子的海藻酸盐纤维（钠、钾、钙、锌、钡、铜、锰等）的极限氧指数均高于海藻酸纤维，除海藻酸铜纤维LOI为30%，为难燃纤维外，其他海藻酸盐纤维的LOI均大于30，达到了不燃纤维的级别，均具有良好的阻燃效果（不同类型海藻纤维LOI对比如图4-40所示）。海藻纤维的金属离子阻燃机理，可以分为以下三个方面[72]：

图4-40　不同种类海藻纤维的极限氧指数

图4-41　海藻酸盐纤维在碱性条件下的脱羧反应

（1）大分子中金属离子会在燃烧过程中形成碱性环境，另外，多糖环含有羟基，在两者的共同影响下，海藻酸大分子极易发生脱羧反应生成不燃性CO2并稀释可燃性气体，反应式如图4-41所示。

（2）海藻酸盐大分子链可以通过金属离子螯合，与金属离子形成交联结构，或羟基与羧基在加热时环化形成内交酯，从而导致纤维结构的改变。从而使海藻酸盐纤维的热裂解温度要明显高于海藻酸纤维，且金属离子的加入提高了炭化程度，从而可起到抑制热裂解减少可燃性气体的作用，反应式如图4-42所示[73]。

（3）海藻酸盐纤维在燃烧过程中可能生成金属氧化物和金属碳酸盐沉淀覆盖在纤维表面，在凝聚相和火焰间形成一个屏障，隔绝氧气，阻止可燃性气体的扩散。

（三）海藻纤维的力学性能

图4-42　海藻酸盐纤维的热裂解机理

图4-43　海藻纤维力学性能与海藻酸钠n（G）/n（M）的相关性

海藻纤维断裂强度及断裂伸长率与n（G）/n（M）有一定的关系（图4-43）：同种纺丝条件下，n（G）/n（M）大，纤维的断裂强度越大，因为在钙离子的作用下，海藻酸钠大分子中的两个G单元通过配位键形成具有六元环的稳定螯合物，相当于纤维的结晶区，同时海藻纤维大分子间通过钙离子形成新的作用力，增强了纤维大分子间的作用力，使得海藻纤维比普通的黏胶纤维断裂强度较高，n（G）/n（M）值越小，则分子中G含量越多，均聚的GG嵌段越多，形成得“蛋壳结构”数量越多，得到的纤维强力较高。而在低n（G）/n（M）值的海藻酸钠中，G嵌段的长度很小，它们对海藻酸钙凝胶网络的形成作用不大，对纤维强度的贡献也不大。所以相同海藻酸钠的浓度下，n（G）/n（M）值大的海藻酸钠形成凝胶的钙离子需要量也大，得到的纤维的强力也较高G段的刚性比M段强，故G含量越大，刚性越强，断裂强度也就越大；而断裂伸长率随着n（G）/n（M）的增大先增大后减小，因为当G含量较低时，纤维较软，易断，随着G含量增大，纤维硬度逐渐增大，断裂伸长率逐渐增大，但当G含量继续增大时，纤维的韧性会慢慢降低，断裂伸长率也随之开始减小[74]。

（四）海藻纤维的吸湿性

如果纤维大分子化学结构中有亲水基团存在，这些亲水基团能与水分子形成水合物，纤维就具有吸湿性，所以纤维大分子存在亲水基团是纤维具有吸湿能力的主要原因（如图4-44所示）。纤维中亲水基团常见的有羟基（—OH）、氨基（—NH2）、酰氨基（—CONH-）、羧基（—COOH）等，这些基团对水分子有较强的亲和力，它们与水蒸气缔合形成氢键，使水蒸气分子失去热运动能力，而在纤维内依存下来。纤维中游离的亲水基团越多，基团的极性越强，纤维的吸湿能力越强。海藻纤维大分子在每一个重复单元中都有四个羟基、两个羧基，而水分子与羟基、羧基形成氢键。纤维中除了亲水基团直接吸着第一批水分子外，已经被吸着的水分子，由于它们也是极性的，因而就有可能再与其他水分子互相作用。这样。后来被吸着的水分子，积聚在第一批水分子上面，形成多层的分子吸着，成为间接吸着水分子。由此可见，纤维直接吸收水分子的多少与纤维大分子上的亲水基团的多少、性质和强弱有关。海藻纤维中，含有大量的吸水性强的羟基和羧基，所以纤维的吸湿性强。此外，由于海藻纤维是湿纺纤维，纤维中存在大量的微孔，所以具有良好的吸水性和保水性。

图4-44　海藻纤维对水分子的直接和间接吸着(www.xing528.com)

（五）海藻纤维的抑菌性

1962年，英国人Winter发现在潮湿环境下伤口的表面愈合快于干燥状态。“湿疗法”扩大了海藻酸纤维在医用敷料、纱布、绷带上的应用。以海藻酸盐为原料的医用敷料不仅具有止血功能，还有能够加快皮肤伤口的愈合速度等功能。

使用黄色葡萄状球菌为标准评价海藻纤维，可发现海藻纤维的静菌活性值和杀菌活性值远远高于合格值（2.2）以上；而其他锦纶、涤纶、腈纶需进行10次洗涤之后，其抗菌活性基本上能保持高于合格值。这主要是因为在海藻纤维中含有微量的乳酸或低聚物这些物质有抑菌作用。也就是说，由于材料中的微量乳酸在材料表面浸出一部分，将材料表面与人的肌肤同样保持弱碱性，防止了细菌和霉菌等微生物的附着和繁殖。而棉、合成纤维的细菌和霉菌等微生物则有容易附生的倾向。

（六）海藻纤维的防辐射性

防辐射性能是近几年对纺织服装新提出的一种功能要求。随着信息技术的发展以及家用电器等的广泛使用，由于电磁辐射看不见、摸不着，短时间内接触不会产生不适感觉，一旦积累成疾，很难治疗，因而科学界称之为“无形杀手”，电磁波污染己成为继空气、水、噪声污染之后的第四大污染源。

目前防辐射纤维与织物的制备主要有金属纤维、金属镀层纤维以及涂覆金属盐纤维等方法。以结构型导电聚合物作为成纤聚合物纺织纤维，是制备防电磁辐射纤维的一种新思路。结构型导电聚合物是指不需要加入其他导电性物质而依靠成纤聚合物本身结构即具有导电性的物质。纤维完全由导电聚合物组成，无须加入其他材料即可导电，故其导电性优良持久。但由于这类聚合物通常为不溶、不熔性物质，或由于相对分子质量低，热、光稳定性差，加上加工成型困难，所以要广泛应用还需进一步的探索。

海藻纤维因其对金属离子有良好的吸附作用，故可能用于制备新型防电磁辐射材料，其防辐射原理见图4-45。对制备的结合不同金属离子的海藻纤维进行防辐射性能测试，比较了不同离子对防辐射性能的影响，结果如图4-46所示。

图4-45　海藻纤维防辐射原理

图4-46　各种海藻纤维与黏胶纤维的抗辐射性能测试

从图中可以看出，与黏胶纤维相比海藻酸钙、海藻酸钡纤维具有较好的防辐射效果，在低频防辐射效果达到15dB以上，在200～550MHz可以达到13dB以上。不同的金属离子对防辐射性能具有一定的影响，尤其是在低频范围内更加明显。海藻酸钡纤维比海藻酸钙纤维在低频的防辐射性能高1dB左右，在高频时防辐射性能基本一致。作为对比的黏胶纤维基本没有防辐射性能，在低频时防辐射效果在10dB左右，在高频时防辐射性能仅为9dB左右。初步结果表明，随着原子序数的增加，海藻酸盐纤维的防辐射性能略有提高。

在雷达、发射台等特殊高辐射场合，美国军用防辐射标准规定大于15dB。一般家用电器，如防计算机，微波炉等的辐射，达到15dB即可满足要求。可以看出海藻酸盐纤维基本满足民用防辐射服装要求。

海藻酸盐纤维的防辐射性能主要由于纤维中均匀分布有大量的金属离子，起到类似金属镀层纤维以及涂覆金属盐纤维的作用。由于海藻酸盐纤维中金属离子与海藻结构单元达到分子级水平均匀结合在纤维内部，因此具有更好的防辐射效果[75]。