甲壳素纤维：生态纺织品的环保助剂

甲壳素（Chitin）又称甲壳质、几丁质、甲壳糖、壳多糖等，广泛存在于昆虫类、水生甲壳类的外壳和菌类、藻类的细胞壁中，是一种蕴藏量仅次于纤维素的天然聚合物和可再生资源，也是除蛋白质以外数量最大的含氮天然有机化合物。壳聚糖（Chitosan）又称脱乙酰甲壳素、壳糖胺、甲壳胺等，是甲壳素分子脱去部分乙酰基的衍生物，当甲壳素的脱乙酰度达到55%以上时就可称为壳聚糖。图5-3是甲壳素和壳聚糖的分子结构图。

图5-3　甲壳素、壳聚糖的分子结构

（一）甲壳素/壳聚糖的制备

甲壳素/壳聚糖的主要来源为虾壳、蟹壳。提取甲壳素的基本流程如图5-4所示。原料虾壳、蟹壳用水洗净后，将虾壳、蟹壳粉碎后，在室温下用1mol/L的盐酸浸渍24h，使甲壳中所含的碳酸钙转化为氯化钙，溶解后除去。经过脱钙的甲壳，水洗后，在3%～4%的氢氧化钠水溶液中，煮沸4～6h，使蛋白质溶出，即得粗品甲壳素。将粗品甲壳素在0.5%高锰酸钾中搅拌浸渍1h，水洗后在60～70℃下于1%的草酸中搅拌30～40min予以脱色，再经充分水洗和干燥，即可得到白色纯甲壳素成品。

用上述方法制得的粗品甲壳素，在140℃下，用50%NaOH加热3h，得到的白色沉淀物，经水洗干燥后即为壳聚糖成品。

（二）甲壳素/壳聚糖纤维的纺制

甲壳素/壳聚糖纤维的生产方法普遍采用湿法纺丝。首先将甲壳素/壳聚糖溶解在适当的溶剂中，配制成有一定浓度、一定黏度和良好稳定性的纺丝原液，经过滤脱泡后，用压力把原液从喷丝头的小孔中喷入含有凝固剂的凝固浴槽中，成细流状的原液在凝固浴中凝固成固态纤维，再经拉伸、洗涤和干燥等后处理，即可获得强度较高的甲壳素/壳聚糖纤维。甲壳素/壳聚糖纺丝工艺流程如图5-5所示。

图5-4　甲壳素/壳聚糖的制备流程(www.xing528.com)

但是由于甲壳素大分子链结构的特殊性，使其不能熔化，也难溶于一般的溶剂中，这给纤维的生产带来了不便。壳聚糖是甲壳素的脱乙酰基产物，能溶于稀酸溶液，可以很容易地被溶解，并且通过湿法纺丝加工成纤维，为纤维的生产提供了方便。目前市场上的纤维产品一般为壳聚糖纤维，又叫甲壳胺纤维。

图5-5　甲壳素/壳聚糖纺丝工艺流程

1—溶解釜　2—过滤器　3—中间桶　4—储浆桶　5—计量泵　6—过滤器　7—喷丝头　8—凝固浴　9—受丝辊　10—拉伸浴　11—拉伸辊　12—洗涤浴　13—卷绕辊

（三）甲壳素/壳聚糖纤维的性能

甲壳素/壳聚糖纤维是自然界唯一带正电荷的有机高分子碱性多糖纤维，与细菌的细胞质膜相作用，可破坏细胞质膜的正常生长，造成细胞代谢的混乱，从而起到抗菌杀菌的作用，使有害菌不能在纤维上存活，从根本上消除了有害菌的滋生源和由细菌产生的异味。它不像化学整理剂抗菌产品在杀死细菌的同时对人体可能有一定的刺激性和危害性，减少了细菌代谢物对人体的刺激而造成的皮肤瘙痒，并且水洗不影响其抗菌性，具有永久的抑菌防臭效果。

甲壳素/壳聚糖的大分子具备与植物纤维相似的结构，又具有类似人体骨胶原组织的结构，这种双重结构赋予其极好的生物活性或生物相容性。甲壳质及其衍生物对人体无毒副作用，其化学性质和生物性质与人体组织相近，具有抗菌、消炎、止血、镇痛、促进伤口愈合等功能，是优良的生物医用材料，可用于制造人造血管、人造皮肤、手术缝合线等。此外，甲壳质及其衍生物复杂的空间结构还表现出多种生物活性，其制品具有抑菌、降低血清和胆固醇含量、抑制肿瘤细胞以及促进上皮细胞生长、促进体液免疫和细胞免疫等作用。

甲壳素/壳聚糖纤维的大分子链上存在大量的羟基（—OH）和氨基（—NH2）等亲水性基团，故纤维有很好的亲水性和很高的吸湿性。甲壳素纤维的平衡回潮率一般在12%～16%之间，在不同的成型条件下，其保水值均在130%左右。由于其独特的纤维分子结构，具有很强的保湿功能，对皮肤有很好的滋润和养护作用。

甲壳素及其衍生物在酶的作用下会分解为低分子物质，因此，其制品用于一般的有机组织均能被生物降解而被机体完全吸收。废弃后可被微生物分解，土壤中的自然分解速率极高，比淀粉高2倍，且不会造成环境污染。