羧甲基棉纤维水凝胶的制备与性能

俞莉玉　郭腊梅　田永龙（东华大学纺织学院 产业用纺织品教育部工程研究中心，上海　201620）



羧甲基棉纤维水凝胶的制备与性能

俞莉玉郭腊梅田永龙
（东华大学纺织学院 产业用纺织品教育部工程研究中心，上海201620）

摘要：采用医用脱脂棉纱布作为纤维原料，氯乙酸作为反应试剂，在碱性条件下进行羧甲基化处理，通过控制水与乙醇的质量比、氢氧化钠浓度以及氢氧化钠与氯乙酸的摩尔比，得到了具有不同取代度的羧甲基棉纤维水凝胶产品。研究了反应前后棉纤维纱布在溶液中的表观形态、吸水性能以及力学性能。结果表明，羧甲基棉纤维水凝胶制备条件为：水与乙醇的质量比50/50、氢氧化钠浓度为10%以及氢氧化钠与氯乙酸的摩尔比为2时，棉纤维水凝胶的取代度为0.62，吸水率为756%，吸生理盐水率为625%，干态强力为96.18N以及湿态强力为67.76N，满足了水凝胶型医用辅料对吸水性和强力的要求。

关键词：棉纤维水凝胶；羧甲基化；吸水性能；力学性能

棉纤维纱布是传统的创面用敷料，价格低廉且使用量大。棉纤维是一种亲水性纤维，具有良好的吸水性，但由于棉纤维分子是中性高分子， 纤维结晶度高，遇水后纤维的溶胀度不高，伤口渗出液主要被吸收在纤维与纤维之间的毛细孔中，而纤维本身的吸水性有限。且在使用过程中，创面干燥后容易与创面的皮肤组织粘连在一起，在去除敷料时使皮肤组织拉伤。因而对棉纤维改性处理，是如今的研究热点之一。棉纤维在碱性条件下羧甲基化改性处理可以得到吸湿性很强的羧甲基纤维素水凝胶。这种改性处理使传统的以棉或粘胶纤维为原料的医用敷料的性能得到了很大的改善，在流血、流脓的伤口护理中，能把大量的伤口渗出液吸收进纤维结构中，然后在创面上形成一层纤维状的凝胶结构，在保持一定力学性能的同时为伤口的愈合提供一个湿润的环境，有效的加快伤口愈合。

本研究以医用脱脂棉纱布为原料，经氢氧化钠乙醇水溶液预处理后，进行羧甲基化反应，得到具有不同取代度的羧甲基棉纤维水凝胶。并且棉纱布为原料进行羧甲基化反应的同时，不仅能够吸收大量的水，还能保持一定的力学性能，以制成可作医用棉纤维水凝胶型敷料的原料。

1 实验部分

1.1 实验材料、仪器

纤维材料：医用脱脂棉纱布，组织：平纹，纱支：21s×21s，经纬密：110×102根/100mm，曹县康源医用卫生材料有限责任公司。

药品：氢氧化钠、一氯乙酸、无水乙醇、乙酸和氯化钠均为分析纯试剂。

仪器：往复式水浴恒温振荡器、HD026N＋电子织物强力机、北昂M318A光学显微镜、pHTestro30防水型pH测试笔。

1.2 羧甲基棉纤维水凝胶制备

（1）棉纱布预处理：常温下洗涤，105℃烘干1h。

（2）羧甲基化改性处理：配制一定质量比的乙醇/水溶液，加入适量的氢氧化钠配置一定浓度的氢氧化钠乙醇水溶液，将棉纱布浸渍在其中，25℃处理30min。处理结束后，取出棉纱布并挤出多余反应液至带液率为200%，然后再将其放入一定摩尔比的氢氧化钠和氯乙酸的混合乙醇溶液中浸泡10min，75℃水浴振荡环境下使发生羧甲基化反应。4h后，取出试样，加入乙酸和无水乙醇，调节其pH值为6-7。然后将处理试样布，用60%、80%和95%的乙醇分别洗涤一次，得羧甲基化的棉纱布试样。最后将其置于60℃干燥箱内烘干，待用。

1.3 羧甲基棉纤维水凝胶取代度测定

称取制备的纯化烘干样品0.2g（准确至0.1mg），溶于80mL蒸馏水中，用碱调节溶液使溶液的pH为8，然后在装有酸度计电极的烧杯中用硫酸标准溶液滴定试液，边滴定边观察酸度计指示值，直到pH值为3.74 为止，记下用去的硫酸标准溶液的体积。取代度的公式如下：

式中：M-硫酸标准溶液的摩尔浓度，V-滴定用去的硫酸标准溶液体积，A-表示CMC样品的纯度。

1.4 羧甲基棉纤维水凝胶吸水性测试

将羧甲基化试样放置在25℃，60%的相对湿度下24h，使其回潮率达到平衡。这时测定医用棉纱布干重M1，之后把医用棉纱布放入水或生理盐水中30min，使其溶胀吸水饱和后，用200目的筛网过滤30分钟，滤去医用棉纱布表面过量的水至棉纱布恰好不往下滴水迅速进行称重，称量医用棉纱布重量M2。吸水率计算如下：

Q ＝（M2-M1）/M1×100

式中：Q-吸水率，%；M1-羧甲基化医用棉纱布吸水前重量，g；M2-羧甲基化医用棉纱布吸水后重量，g。

1.5 羧甲基棉纤维水凝胶强力测定

用电子织物强力机对干、湿态羧甲基化试样进行经向拉伸断裂性能测试，隔距长度为120mm，拉伸速度为50mm/min。

2 结果与讨论

2.1 羧甲基棉纤维水凝胶的表观形态

将未羧甲基化试样和羧甲基化试样分别浸渍于去离子水中吸水至饱和状态，取出试样，吸干表面多余的水，并将其置于光学显微镜40倍物镜下观察。

将未羧甲基化试样和羧甲基化试样分别浸渍于去离子水中吸水至饱和状态，取出试样，吸干表面多余的水，并将其置于光学显微镜40倍物镜下观察。在图1（a）中可以明显的看出，尽管棉纱布中的纤维都被润湿，但所吸的液体很少，纤维之间的空隙清晰分明。将图1 （b）与图1（a）相比可发现，羧甲基化后的棉纤维在遇水后高度膨胀形成水凝胶体，纤维间的空隙几乎被覆盖，整个试样呈半透明状态。

2.2 羧甲基棉纤维水凝胶的吸水性能

图2反映得是试样的吸水性和水与乙醇质量比的关系，随着水含量的增加，试样的取代度和吸水率呈先上升后下降的趋势，水含量为50%时吸水性最好。水含量较少时，羧甲基化缺少反应介质，试样羧甲基化程度低，吸水率小；水含量逐渐增加，纤维润胀而具有反应活性，有利于氯乙酸在纤维素中的渗透与扩散，试样羧甲基化程度增高，取代度和吸水率也增高；当水含量超过50%，纤维在水中溶胀形成凝胶体，氯乙酸难于向纤维素均匀渗透，同时容易引发游离碱与氯乙酸的水解副反应，试样羧甲基化效率降低，吸水性下降。

图3反映试样的取代度和吸水性与氢氧化钠浓度的关系图。氢氧化钠浓度低，棉纤维溶胀程度较低，氢氧化钠对氢键的拆散作用较弱，试样的吸水性低；氢氧化钠浓度逐渐增大，棉纤维不断溶胀，无定形区比例增大，有利于Na＋进入纤维内部与-OH结合生成碱纤维素；当氢氧化钠浓度超过20%时，纤维溶胀达到饱和，游离碱含量升高，副反应加剧，不利于羧甲基化反应。试样的取代度和吸水性随氢氧化钠与氯乙酸摩尔比的增加呈先上升后下降的趋势。这是由于棉纤维的羧甲基化反应应确保在碱性催化条件下进行。若游离碱过少，碱纤维素生成困难，降低氯乙酸的利用率，造成羧甲基化效果下降。但游离碱过多，副反应增加，氯乙酸钠将生成羟乙酸钠，试样吸水性降低。

2.3 羧甲基棉纤维水凝胶的力学性能

而纤维的干态断裂强力则随取代度的增加呈先上升后下降的趋势，取代度0.62为干强的转折点。纤维取代度低时，随着取代度的增加，棉纤维得到润胀，其表面天然扭曲被消除，减少了薄弱环节及应力集中现象，从而试样的干强得到提高。而试样取代度高于0.62时，纤维结晶结构遭到破坏，大分子链间的氢键被打开的程度高，纤维结构松散，造成试样干态断裂强力的下降。

结论

通过羧甲基棉纤维水凝胶的表观形态、吸水性能及力学性能的研究，羧甲基棉纤维水凝胶保持高吸水性的同时能维持一定强度的最佳工艺条件为：水与乙醇的质量比为50/50、氢氧化钠浓度为10%以及氢氧化钠与氯乙酸的摩尔比为2。此时，制得的羧甲基棉纤维水凝胶取代度为0.62，吸水率为756%，吸生理盐水率为625%，干态强力为96.18N以及湿态强为67.76N，可作为棉纤维水凝胶型医用敷料的原料。

参考文献

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中图分类号：O648

文献标识码：A