纯壳聚糖纤维工业化环保纺丝技术与应用周家村;胡广敏【摘要】介绍了壳聚糖纤维的国内外发展历程;重点阐述了纯壳聚糖纤维工业化环保纺丝过程中的关键技术的研究与突破;详细说明了纯壳聚糖纤维在医疗、卫生、纺织、航天、军工、烟草等领域的应用;并提出通过加强“产学研”合作,加快对纯壳聚糖纤维在高端领域产品的研发,以更好地发挥纯壳聚糖纤维在促进人体健康、提升生活质量方面的作用,推进纯壳聚糖纤维行业持续、健康、快速发展.【期刊名称】《纺织学报》【年(卷),期】2014(035)002【总页数】5页(P157-161)【关键词】壳聚糖纤维;工业化绿色纺丝;复合式快速脱泡;触变性流体;平推流高温凝固;往复式逆流水洗【作者】周家村;胡广敏【作者单位】海斯摩尔生物科技有限公司,山东宁阳271400;海斯摩尔生物科技有限公司,山东宁阳271400【正文语种】中文【中图分类】TS102.51随着人们生活水平的提高，传统的纺织品已不能满足人们生活的需求，特别对环保、舒适、健康的功能性纺织品需求越来越迫切。
必须要有健康的新材料产品来满足市场。
壳聚糖纤维[1]是以虾、蟹壳体废物为原料，经湿法纺丝制得的，具有吸湿祛臭、吸附螯合、抑菌防霉，还具有止血促愈、舒缓伤口疼痛、减少疤痕及优异的生物相容性、无免疫原性等生物活性，既不占用土地资源，又不依赖于石油资源，成为倍受国际关注的海洋生物质再生纤维主要品种之一。
本文主要介绍了纯壳聚糖纤维的原料提取技术、工业化环保纺丝技术、制品与产品关键技术以及医疗、卫生、纺织、航天、军工、烟草等领域的应用，使得纯壳聚糖纤维工业化环保纺丝生产成为现实，推动了纯壳聚糖纤维的产业化进程。
1 纺丝瓶颈及关键技术研究与突破1.1 壳聚糖纤维的发展历程壳聚糖纤维作为一种海洋生物质再生纤维，已有近百年的开发历程。
1926年，丹麦的Knwike先生进行了甲壳素可纺制纤维的理论研究;1980年，日本美羽化学工业公司率先试制了壳聚糖纤维;1995年，日本富士纺织将甲壳素加入粘胶液制成抗菌粘胶纤维。
1999年，韩国甲壳素公司建立50 kg/d纯甲壳素纤维的生产线。
我国对甲壳素和壳聚糖的研究起步比较晚，在20世纪80年代，东华大学开始对甲壳素纤维研究，并取得了甲壳素纤维的发明专利。
青岛即发集团在2000年建成年产80 t的甲壳素纤维生产能力。
直至现在，国内生产甲壳素和纯壳聚糖纤维的厂家较少，且没有解决生产的工业化、清洁化。
因此，产量、质量都受到了限制。
1.1.1 原料制约壳聚糖纤维的生产面临主要原料问题：因蟹壳、虾壳种类繁多、品质差异巨大，目前大多采用进口分子质量大、均匀的高品质深海鳕蟹脚壳为原料，总量有限，难以扩大生产。
1.1.2 生产技术与装备制约壳聚糖纤维的原料是从动物虾、蟹壳中提取的，所配制的纺丝液是一种触变性[2]胶体，其输送、挤出成型都与常规化纤纺丝有巨大差异，纺制的纤维强度较低，抱合力较差，纺纱和非织造布加工困难，严重影响产业化进程，发展缓慢，生产能力有限。
生产技术与装备总体在低水平徘徊，长期以来无法突破工业化清洁化生产[3]瓶颈。
1.2 关键技术突破海斯摩尔生物科技有限公司在百吨级纯壳聚糖纤维生产线基础上，深入开发研究，实现了原料国产化，采用了高脱乙酰度[4]、超高黏度的高品质片状壳聚糖为原料，突破纯壳聚糖纤维工业化纺丝中的多项关键技术，生产连续稳定，全程清洁生产、环保纺丝。
其产品是市场化的一种高质量纯壳聚糖纤维产品[5]。
1.2.1 高品质片状壳聚糖可控提取技术原料是制约整个行业发展的一大瓶颈，如何解决原料多元化是保障产品开发的前提。
由于不同种类虾、蟹壳结构成分存在巨大差异，特别是淡水中生长周期短的虾蟹壳，固有的甲壳素分子质量低，有效控制提取纺丝用片状壳聚糖技术难度大，在开发多地域虾、蟹壳提取纺丝用壳聚糖方面取得重大突破。
与常规工艺相比：采取了通过筛选多地域虾、蟹壳，得到结构成分类同的虾、蟹壳，制定相应的酸碱浓度、温度、时间等生产工艺参数，特别采用动态、静态相结合的2次脱钙、脱脂和独特脱乙酰的柔性工艺，实现了高品质纺丝级片状壳聚糖的提取，拓展了纺丝级壳聚糖的来源。
1.2.2 高品质纯壳聚糖纺丝液制备技术深入研究壳聚糖脱乙酰度、黏度与溶解、降解[6-8]的机制，开发片状壳聚糖高剪切直接反应、溶解一体化技术[9]，实现高脱乙酰度、超高黏度片状壳聚糖均质化、快速溶解，设计开发真空、离心、剪切、刮膜多原理复合脱泡装置，高效制备高品质纯壳聚糖纺丝液。
片状原料高剪切直接反应、溶解一体化技术。
常规工艺多采用研磨成粉末的壳聚糖原料进行搅拌溶解。
与常规工艺相比，将片状壳聚糖加溶剂采用带有多层搅拌桨且可调剪切力的真空搅拌溶解釜直接溶解，减少了工序和能耗，避免了制造壳聚糖粉末过程中大分子结构受到破坏，实现高脱乙酰度、高黏度纺丝液的快速制备。
仅用原溶解时间的一半，纤维强度提高30%。
复合式高效脱泡技术。
经过过滤的纯壳聚糖纺丝液，采用高压动力输送至真空脱泡釜内，首先进入布满小孔的管道进行分离剪切，分离好的纺丝液经过伞流板进行刮膜、剪切后滴流至脱泡釜底部，再经搅拌提升重复上述脱泡过程，溶液界面层不断变化，气泡快速脱出，比常规静态脱泡，仅用原脱泡时间的四分之一，纺丝液黏度保持在95%的水平。
1.2.3 计量泵挤出、纤维均匀成形技术基于壳聚糖纺丝液的触变性流体的特点与纺丝成形机制，研发了高压大流量计量泵[10]挤出技术、分区高密度大直径喷丝板[11]技术、平推流高温凝固技术，实现高效挤出、均匀成形。
大力提升壳聚糖纤维的强度与均匀性。
1)高压大流量计量泵挤出技术。
纯壳聚糖纤维纺丝时，纺丝液的黏度高达500 Pa·s，使用传统计量泵时，由于纺丝液黏度太高，造成齿轮空转，供量不稳定，并且形成高剪切，致使触变性流体纺丝液的结构发生破坏，黏度大幅度降低。
根据高黏度壳聚糖纺丝液的特点，采用双进、双出料腔，并采用相适应的齿轮参数及与其相配合的齿轮腔间隙和泵体盖板间隙参数，提高效率，专门设计制造适合高黏度、大流量纺丝液的计量泵，加大了单转输送量，黏度最高可达500 Pa·s的纺丝液每转供出纯壳聚糖纺丝液300mL，每分钟供量15 kg，实现高黏度纯壳聚糖纺丝液的大流量稳定输出，打破纯壳聚糖纤维产业化中计量泵环节瓶颈。
2)分区高密度大直径喷丝板。
自主设计高密度组合喷丝板，喷丝帽呈三层正六边形分布均匀，承压高，挤出丝束与凝固浴接触均匀、充分，断丝少。
1 000孔/cm2的喷丝帽均匀分布在整个喷丝板面积上，总计150 000孔。
纺丝时采用卧式双喷丝位，可生产出300 000根/束的束丝纤维，形成年产千吨级生产线。
3)平推流高温凝固技术。
采用高压动力计量泵将纺丝液从15万孔的喷丝板中喷出，进入高温凝固浴，凝固浴液与丝束同方向且大于喷丝速度进行流动，起到推动、分散丝束的作用，使得凝固浴液与纺丝液双扩散充分，扩散速率提升，凝固平稳，制得的纤维强度高，不匀率低。
1.2.4 全流程清洁生产的环保纺丝原液制备与紧凑型设计、气压输送技术。
纺丝液输送创新采用压缩空气作动力进行输送，与传统的齿轮泵输送相比，输送纺丝液的设备减少，工艺流程短，设计紧凑，吨纺丝液输送减少用时接近1倍，节省电量16 kW·h，纺丝液黏度保持稳定，而且整个输送过程中无噪音产生。
往复式逆流水洗装置。
水洗工序的水洗装置采用三段三层紧凑型设计，保证逆流水洗方式，减少车间占地60%。
同时，根据工艺需要的水洗条件，实现多段水洗的流量自动控制，保证纤维水洗质量。
2 000 t级中水回用系统。
车间地底建有2 000 t的地下水池，利用水的势能，将生产过程中的洗涤用水收集，后采用反渗透过滤和浓水回用2种最先进的2级联合中水处理系统。
经处理后的水循环利用，无废水排放，达到节能降耗的效果。
同时，结合车间内的温度控制系统，水温上下波动不超过5℃，总体节约耗能在40%以上。
综上所述，在纯壳聚糖纤维整个纺丝过程中，除使用乙酸和氢氧化钠外，不添加其他任何化学物质，全程清洁生产、环保纺丝。
1.2.5 纤维后加工与制品开发关键技术无卷曲纯壳聚糖纤维制条技术。
在纺丝处理过程中，研发了适合纯壳聚糖纤维的柔软剂，同时研制了柔性梳理设备，调整梳理工艺参数，实现了纯壳聚糖纤维无卷曲制备高品质纤维条，制成率高达94%。
纯壳聚糖纤维材料的全色系染色技术。
由于壳聚糖的分子结构中含有氨基基团，常规染色工艺都需经过酸洗工艺，氨基基团会在酸洗、染色的溶液中和氢离子以及染料的有关基团发生反应，使壳聚糖溶解或转化成壳聚糖盐类物质，丧失了壳聚糖的性能，造成壳聚糖染色困难。
经过分析研究，技术攻关，开发了含纯壳聚糖纤维材料制品的全色系染色技术[12]。
现已广泛应用到相关企业，成功实现对纱线、面料、成品等织物的染整。
纯壳聚糖纤维制品开发。
开发了水刺、针刺、热轧非织造布，针织、机织面料等制品，男女内衣、医疗卫生用品、军工等多领域产品。
特别是四川航天系统工程研究所研发了航天用特种壳聚糖纤维布。
2 应用领域的研究2.1 在医疗行业的应用实践纯壳聚糖纤维具有广谱抑菌性[13-14]、防霉性、优异的生物相容性[15]和无免疫原性，还具有吸附螯合、止血促愈[16]、减少疤痕[17]的作用。
基于纯壳聚糖纤维的这些多种生物学活性，目前在医疗卫生领域应用广泛，可作为创面敷料、消毒护理等应用，特别在组织工程和再生医学领域用作支架或载体材料等，也可用于体内可降解手术缝合线的制备。
已开发出多种高端具有竞争优势的止血类产品，现已成功应用到国外军方以及国内和我国台湾多家医院，市场反馈良好;欧洲某国际知名医疗企业选用速吸水纯壳聚糖纤维(0.05g纤维在盛满0.9%生理盐水的100 mm高度的烧杯中8 s内从液面完全沉入底部)，已成功制得止血棉，正在推广使用。
目前，还进行纯壳聚糖纤维疝修补片等外科植入物膜类产品的开发研究。
2.2 在卫生行业的应用实践在卫生行业的应用实践，纯壳聚糖纤维具有天然抑菌，活化肌肤等功能，可与多种纤维采用热风、热轧、水刺、针刺等工艺混纺成不同规格不同比例的非织造布，是女性、婴幼儿、老年护理用品的理想贴肤层和导流层材料，为消费者带来安全健康的新生活。
联合开发的卫生巾、纸尿裤、湿巾等产品，已进入产品试制阶段。
2.3 在纺织领域的应用实践以纯壳聚糖纤维为原料开发生产了含量在10% ～30%之间的系列混纺纱线及纺织品[18]，主要有与莫代尔、天丝、麻赛尔、羊绒、精梳棉等混纺、混织的各类纱线系列、内衣面料。
2.4 在航天领域的应用实践经过科研攻关技术创新，研发成功以纯壳聚糖纤维为核心原料的“特种壳聚糖纤维布”它具备抑菌、阻燃、抗静电、防霉、240℃高温脱气无毒等优良特性，并获得我国国防发明专利，专利号为201218002334.4，成为中国航天专用产品。