壳聚糖纳微粒与棉纤维表面结合性能及作用机制研究

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芳香棉织物因具有天然芳香化合物特有的保健与美化环境作用而深受消费者的喜爱,也已成为近年来全球纺织行业的重要发展方向之一。目前,香精微胶囊已成为棉织物加香整理的主要加香介质,然而过大的胶囊粒径使其无法与纤维表面形成有效的结合作用而导致留香时间太短。为了解决这一问题,通常在传统加香过程中,只有通过加入大量化学交联剂才能使香精微胶囊能牢固地粘附于织物表面。然而,这类化学交联剂中常常含有大量甲醛等刺激性物质,不仅破坏了香精原有的特征香气,同时也会产生设备腐蚀与环境污染等问题。因此,探索一种不加化学交联剂而又能使香精微胶囊牢固地粘附在织物表面的环境友好、绿色高效的加香微胶囊及整理过程是现代纺织工业所追求的重要目标。  针对目前利用香精微胶囊制备芳香纺织品存在环境污染严重、效率低、加香机制不清、作用规律不明等问题,本文采用实验表征与理论计算相结合的方法,对无交联剂存在下香精壳聚糖纳微粒加香整理棉织物的核心科学问题:壁材壳聚糖纳微粒与棉纤维表面结合的相互作用力类型、强度及基团间键合规律,以及棉纤维表面壳聚糖纳微粒的传递及迁移行为作用机制进行了深入系统地研究,总结归纳了不同条件下壳聚糖纳微粒在棉纤维表面上的附着性能及传质规律,并从原子及分子水平层面探讨了壳聚糖纳微粒与棉纤维间的相互结合作用机制。具体研究内容及取得的创新性结果如下:  1、采用动态光散射、扫描电镜、透射电镜、红外光谱、X射线衍射、X射线光电子能谱、热重及微分热重等实验手段对无交联剂存在下表面附着壳聚糖纳微粒的棉纤维进行了分析表征,结果表明壳聚糖纳微粒主要是通过分子间氢键、静电及疏水结合相互作用附着在棉纤维(110)、(1-10)及(200)晶面上,其相互作用强度随粒子浓度的增大逐渐增强,并导致棉纤维的结晶度指数降低,酸度增强。  2、采用分子动力学计算方法模拟壳聚糖与棉纤维间结合的相互作用,结果进一步表明壳聚糖分子链上-OH及-NH2与棉纤维(110)、(1-10)及(200)晶面上-OH均可发生一定的短程氢键、静电及长程范德华力结合作用,且在疏水的(200)晶面上具有最强的结合能(298 K,-4193.4 kcal/mol)。同时,在亲水的(110)和(1-10)晶面上,壳聚糖分子链中的C3-OH-O及C6-OH-O为主要结合作用位点;而对于疏水的(200)晶面,壳聚糖分子链中的NH2-N为主要结合作用位点。  3、对不同粒子粒径大小的壳聚糖纳微粒在不同温度下的棉纤维表面结合过程的动力学及热力学性质进行了表征研究,发现无交联剂存在时结合反应的△G°、△H°及△S°值均小于0(298 K温度及220nm粒径大小下,ΔG°=-2.169 kJ/mol、ΔH°=-18.467 kJ/mol、ΔS°=-52.959 kJ/mol),表明壳聚糖纳微粒在棉纤维表面的迁移结合行为是一个自发、放热且体系混乱度减小的过程,并依次呈现出边界层传递、粒子内迁移、平衡附着三个阶段。同时,随着粒子粒径及温度的增大,结合过程的平均附着能(E)、△G°绝对值及粒子结合速率常数(kid)均不断减小,表明具备较小粒子粒径(220 nm)的壳聚糖纳微粒在低温(278K)下与棉纤维间能发生更快速且更有效的结合作用。  4、对不同质子化程度的壳聚糖分子链在不同温度下的棉纤维各表面的迁移结合过程进行了分子动力学模拟研究,结果进一步表明随着温度的升高(278K~348 K)及壳聚糖质子化程度的下降(100%~0%),壳聚糖分子链与棉纤维(110),(1-10)及(200)晶面间形成的各类氢键、静电及范德华力相互作用减弱,与各晶面的结合能绝对值均逐渐下降,且在棉纤维各晶面上的平均扩散系数呈下降趋势,表明壳聚糖分子链在棉纤维各晶面上的结合能力逐渐下降。  5、采用实验与分子动力学模拟相结合的方法研究了无交联剂存在下结合体系的耐洗涤性能,发现经表面活性剂十二烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚-7及烷基糖苷C=10等洗涤剂在298 K和348 K温度下洗涤30次后,壳聚糖纳微粒在纤维表面的残留率仍达70%以上,同时经模拟洗涤计算发现,壳聚糖分子链在棉纤维各晶面上的结合能绝对值均无明显下降,且各作用位点与纤维间形成的氢键、静电及范德华力相互作用均无显著改变,表明无交联剂存在下表面附着壳聚糖纳微粒的棉纤维对洗涤剂中的主要表面活性剂十二烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚-7及烷基糖苷C=10均具有良好的耐洗涤作用。
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