羧甲基棉纖維水凝膠的制備與性能

俞莉玉　郭臘梅　田永龍（東華大學(xué)紡織學(xué)院 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海　201620）

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羧甲基棉纖維水凝膠的制備與性能

俞莉玉郭臘梅田永龍
（東華大學(xué)紡織學(xué)院 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海201620）

摘要：采用醫(yī)用脫脂棉紗布作為纖維原料，氯乙酸作為反應(yīng)試劑，在堿性條件下進(jìn)行羧甲基化處理，通過控制水與乙醇的質(zhì)量比、氫氧化鈉濃度以及氫氧化鈉與氯乙酸的摩爾比，得到了具有不同取代度的羧甲基棉纖維水凝膠產(chǎn)品。研究了反應(yīng)前后棉纖維紗布在溶液中的表觀形態(tài)、吸水性能以及力學(xué)性能。結(jié)果表明，羧甲基棉纖維水凝膠制備條件為：水與乙醇的質(zhì)量比50/50、氫氧化鈉濃度為10%以及氫氧化鈉與氯乙酸的摩爾比為2時(shí)，棉纖維水凝膠的取代度為0.62，吸水率為756%，吸生理鹽水率為625%，干態(tài)強(qiáng)力為96.18N以及濕態(tài)強(qiáng)力為67.76N，滿足了水凝膠型醫(yī)用輔料對(duì)吸水性和強(qiáng)力的要求。

關(guān)鍵詞：棉纖維水凝膠；羧甲基化；吸水性能；力學(xué)性能

棉纖維紗布是傳統(tǒng)的創(chuàng)面用敷料，價(jià)格低廉且使用量大。棉纖維是一種親水性纖維，具有良好的吸水性，但由于棉纖維分子是中性高分子， 纖維結(jié)晶度高，遇水后纖維的溶脹度不高，傷口滲出液主要被吸收在纖維與纖維之間的毛細(xì)孔中，而纖維本身的吸水性有限。且在使用過程中，創(chuàng)面干燥后容易與創(chuàng)面的皮膚組織粘連在一起，在去除敷料時(shí)使皮膚組織拉傷。因而對(duì)棉纖維改性處理，是如今的研究熱點(diǎn)之一。棉纖維在堿性條件下羧甲基化改性處理可以得到吸濕性很強(qiáng)的羧甲基纖維素水凝膠。這種改性處理使傳統(tǒng)的以棉或粘膠纖維為原料的醫(yī)用敷料的性能得到了很大的改善，在流血、流膿的傷口護(hù)理中，能把大量的傷口滲出液吸收進(jìn)纖維結(jié)構(gòu)中，然后在創(chuàng)面上形成一層纖維狀的凝膠結(jié)構(gòu)，在保持一定力學(xué)性能的同時(shí)為傷口的愈合提供一個(gè)濕潤的環(huán)境，有效的加快傷口愈合。

本研究以醫(yī)用脫脂棉紗布為原料，經(jīng)氫氧化鈉乙醇水溶液預(yù)處理后，進(jìn)行羧甲基化反應(yīng)，得到具有不同取代度的羧甲基棉纖維水凝膠。并且棉紗布為原料進(jìn)行羧甲基化反應(yīng)的同時(shí)，不僅能夠吸收大量的水，還能保持一定的力學(xué)性能，以制成可作醫(yī)用棉纖維水凝膠型敷料的原料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料、儀器

纖維材料：醫(yī)用脫脂棉紗布，組織：平紋，紗支：21s×21s，經(jīng)緯密：110×102根/100mm，曹縣康源醫(yī)用衛(wèi)生材料有限責(zé)任公司。

藥品：氫氧化鈉、一氯乙酸、無水乙醇、乙酸和氯化鈉均為分析純?cè)噭?/p>

儀器：往復(fù)式水浴恒溫振蕩器、HD026N＋電子織物強(qiáng)力機(jī)、北昂M318A光學(xué)顯微鏡、pHTestro30防水型pH測試筆。

1.2 羧甲基棉纖維水凝膠制備

（1）棉紗布預(yù)處理：常溫下洗滌，105℃烘干1h。

（2）羧甲基化改性處理：配制一定質(zhì)量比的乙醇/水溶液，加入適量的氫氧化鈉配置一定濃度的氫氧化鈉乙醇水溶液，將棉紗布浸漬在其中，25℃處理30min。處理結(jié)束后，取出棉紗布并擠出多余反應(yīng)液至帶液率為200%，然后再將其放入一定摩爾比的氫氧化鈉和氯乙酸的混合乙醇溶液中浸泡10min，75℃水浴振蕩環(huán)境下使發(fā)生羧甲基化反應(yīng)。4h后，取出試樣，加入乙酸和無水乙醇，調(diào)節(jié)其pH值為6-7。然后將處理試樣布，用60%、80%和95%的乙醇分別洗滌一次，得羧甲基化的棉紗布試樣。最后將其置于60℃干燥箱內(nèi)烘干，待用。

1.3 羧甲基棉纖維水凝膠取代度測定

稱取制備的純化烘干樣品0.2g（準(zhǔn)確至0.1mg），溶于80mL蒸餾水中，用堿調(diào)節(jié)溶液使溶液的pH為8，然后在裝有酸度計(jì)電極的燒杯中用硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定試液，邊滴定邊觀察酸度計(jì)指示值，直到pH值為3.74 為止，記下用去的硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積。取代度的公式如下：

式中：M-硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的摩爾濃度，V-滴定用去的硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，A-表示CMC樣品的純度。

1.4 羧甲基棉纖維水凝膠吸水性測試

將羧甲基化試樣放置在25℃，60%的相對(duì)濕度下24h，使其回潮率達(dá)到平衡。這時(shí)測定醫(yī)用棉紗布干重M1，之后把醫(yī)用棉紗布放入水或生理鹽水中30min，使其溶脹吸水飽和后，用200目的篩網(wǎng)過濾30分鐘，濾去醫(yī)用棉紗布表面過量的水至棉紗布恰好不往下滴水迅速進(jìn)行稱重，稱量醫(yī)用棉紗布重量M2。吸水率計(jì)算如下：

Q ＝（M2-M1）/M1×100

式中：Q-吸水率，%；M1-羧甲基化醫(yī)用棉紗布吸水前重量，g；M2-羧甲基化醫(yī)用棉紗布吸水后重量，g。

1.5 羧甲基棉纖維水凝膠強(qiáng)力測定

用電子織物強(qiáng)力機(jī)對(duì)干、濕態(tài)羧甲基化試樣進(jìn)行經(jīng)向拉伸斷裂性能測試，隔距長度為120mm，拉伸速度為50mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 羧甲基棉纖維水凝膠的表觀形態(tài)

將未羧甲基化試樣和羧甲基化試樣分別浸漬于去離子水中吸水至飽和狀態(tài)，取出試樣，吸干表面多余的水，并將其置于光學(xué)顯微鏡40倍物鏡下觀察。

將未羧甲基化試樣和羧甲基化試樣分別浸漬于去離子水中吸水至飽和狀態(tài)，取出試樣，吸干表面多余的水，并將其置于光學(xué)顯微鏡40倍物鏡下觀察。在圖1（a）中可以明顯的看出，盡管棉紗布中的纖維都被潤濕，但所吸的液體很少，纖維之間的空隙清晰分明。將圖1 （b）與圖1（a）相比可發(fā)現(xiàn)，羧甲基化后的棉纖維在遇水后高度膨脹形成水凝膠體，纖維間的空隙幾乎被覆蓋，整個(gè)試樣呈半透明狀態(tài)。

2.2 羧甲基棉纖維水凝膠的吸水性能

圖2反映得是試樣的吸水性和水與乙醇質(zhì)量比的關(guān)系，隨著水含量的增加，試樣的取代度和吸水率呈先上升后下降的趨勢，水含量為50%時(shí)吸水性最好。水含量較少時(shí)，羧甲基化缺少反應(yīng)介質(zhì)，試樣羧甲基化程度低，吸水率小；水含量逐漸增加，纖維潤脹而具有反應(yīng)活性，有利于氯乙酸在纖維素中的滲透與擴(kuò)散，試樣羧甲基化程度增高，取代度和吸水率也增高；當(dāng)水含量超過50%，纖維在水中溶脹形成凝膠體，氯乙酸難于向纖維素均勻滲透，同時(shí)容易引發(fā)游離堿與氯乙酸的水解副反應(yīng)，試樣羧甲基化效率降低，吸水性下降。

圖3反映試樣的取代度和吸水性與氫氧化鈉濃度的關(guān)系圖。氫氧化鈉濃度低，棉纖維溶脹程度較低，氫氧化鈉對(duì)氫鍵的拆散作用較弱，試樣的吸水性低；氫氧化鈉濃度逐漸增大，棉纖維不斷溶脹，無定形區(qū)比例增大，有利于Na＋進(jìn)入纖維內(nèi)部與-OH結(jié)合生成堿纖維素；當(dāng)氫氧化鈉濃度超過20%時(shí)，纖維溶脹達(dá)到飽和，游離堿含量升高，副反應(yīng)加劇，不利于羧甲基化反應(yīng)。試樣的取代度和吸水性隨氫氧化鈉與氯乙酸摩爾比的增加呈先上升后下降的趨勢。這是由于棉纖維的羧甲基化反應(yīng)應(yīng)確保在堿性催化條件下進(jìn)行。若游離堿過少，堿纖維素生成困難，降低氯乙酸的利用率，造成羧甲基化效果下降。但游離堿過多，副反應(yīng)增加，氯乙酸鈉將生成羥乙酸鈉，試樣吸水性降低。

2.3 羧甲基棉纖維水凝膠的力學(xué)性能

而纖維的干態(tài)斷裂強(qiáng)力則隨取代度的增加呈先上升后下降的趨勢，取代度0.62為干強(qiáng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。纖維取代度低時(shí)，隨著取代度的增加，棉纖維得到潤脹，其表面天然扭曲被消除，減少了薄弱環(huán)節(jié)及應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而試樣的干強(qiáng)得到提高。而試樣取代度高于0.62時(shí)，纖維結(jié)晶結(jié)構(gòu)遭到破壞，大分子鏈間的氫鍵被打開的程度高，纖維結(jié)構(gòu)松散，造成試樣干態(tài)斷裂強(qiáng)力的下降。

結(jié)論

通過羧甲基棉纖維水凝膠的表觀形態(tài)、吸水性能及力學(xué)性能的研究，羧甲基棉纖維水凝膠保持高吸水性的同時(shí)能維持一定強(qiáng)度的最佳工藝條件為：水與乙醇的質(zhì)量比為50/50、氫氧化鈉濃度為10%以及氫氧化鈉與氯乙酸的摩爾比為2。此時(shí)，制得的羧甲基棉纖維水凝膠取代度為0.62，吸水率為756%，吸生理鹽水率為625%，干態(tài)強(qiáng)力為96.18N以及濕態(tài)強(qiáng)為67.76N，可作為棉纖維水凝膠型醫(yī)用敷料的原料。

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中圖分類號(hào)：O648

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