孫曉婷

(青島大學紡織學院，山東青島266071)

海藻纖維是指從海洋中的一些棕色藻類植物中提取出的海藻酸為原料而制得的纖維。目前，最常用的原料是海藻酸鈉，分子式為(C6H7O6Na)n，n=80 ～750，由 β-D-甘露糖醛酸(簡稱 M)和 α-L-古羅糖醛酸(簡稱G)兩種組分通過1，4鍵結合而成，兩種組分在分子鏈中的排列極不規(guī)則，中間以交替MG和多聚交替(MG)n相連接(如圖1)。［1］

圖1 海藻酸鈉的結構

圖2 G單元與Ca2+形成的“蛋盒”結構

海藻纖維通常采用濕法紡絲制備，以氯化鈣作為凝固浴，從化學角度來看，其成形過程是指水溶性的海藻酸鈉轉變成不溶于水的海藻酸鈣的過程。海藻酸鈉可溶于水中形成具有一定粘度的粘稠狀溶液，經過噴絲孔擠出到凝固浴中，G單元上的Na+與凝固浴中的Ca2+發(fā)生離子交換反應，形成“蛋盒”結構(如圖2)，逐漸堆積形成復雜的交聯網絡結構，轉變成水凝膠纖維析出，形成不溶于水的海藻酸鈣長絲，再經拉伸、水洗、干燥、卷繞成海藻纖維［2－3］。纖維粗細均勻，縱向表面有溝槽，橫向截面呈不規(guī)則鋸齒狀。海藻纖維作為一種新型生物可降解再生纖維具有許多優(yōu)良特性，且資源豐富，已廣泛應用于醫(yī)藥、紡織、印染、食品、造紙、廢水處理等領域，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 海藻纖維的性能

1.1 高吸濕、保濕性

海藻纖維大分子中有大量羧基和羥基等親水性基團，吸水性較強，而且大分子中無定形區(qū)較大，纖維膨潤性好，可以吸收20倍于自己體積的液體。纖維在與皮膚接觸時，可以釋放維生素和礦物質，還可以調和空氣中的水分，具有高保濕性，織物穿著涼爽，起到美容保健的作用。［4］

1.2 高透氧性

海藻纖維吸濕后可轉變成水凝膠，親水基團上附著的“自由水”提供氧氣傳遞的通道，空氣中的氧氣經過吸附、擴散、解吸過程，進入到傷口組織內;另外，海藻酸纖維大分子鏈上的高G單元也可供氧氣透過。［5］

1.3 遠紅外與負離子功能

海藻炭纖維是將海藻炭的炭化物粉碎成超微粒子后，添加到其他成纖高聚物溶液中加工而成的纖維。這種纖維紡成的紗線具有遠紅外放射功能及負離子功能，能加速血液循環(huán)，消除體內有害物質，促進新陳代謝，并能使人體內分子摩擦產生熱反應，具有蓄熱保溫效果;通過纖維中的負離子可以激發(fā)空氣中的氧氣、水分產生負氧離子，營造出一種大自然的環(huán)境，給人以舒適之感。［6］

1.4 金屬離子吸附性

海藻纖維中存在－OH、－COO－等基團，能與多種金屬離子形成配位化合物。當金屬離子含量達到一定程度時，離子間結合能力增強，足以克服其間的靜電斥力作用，形成導電鏈，使織物具有電磁屏蔽性能以及抗靜電性，尤其對于低頻電磁波電磁屏蔽效果非常好。

1.5 阻燃性

海藻纖維的極限氧指數為34.4，屬難燃纖維，在空氣中離開火焰隨即熄滅。一方面，纖維中含有的大量羥基和羧基，在加熱時發(fā)生脫水環(huán)化，極大地提高了海藻纖維熱裂解時的溫度和炭化程度，抑制熱裂解的反應進程，起到阻燃作用;另一方面，纖維在熱分解過程中釋放大量CO2和水，水分子汽化吸收熱量，降低纖維表面溫度，同時生成的CO2稀釋了可燃性氣體的濃度，達到阻燃效果。［7］

1.6 生物相容性和可降解性

海藻纖維中含有多種氨基酸，具有良好的生物相容性，其含有大量的Ca2+，可與血液中的Na+進行離子交換，可在傷口上形成一層水溶性的海藻酸鈉水凝膠，可使氧氣透過，阻擋細菌的進入;有助于傷口凝血、吸除傷口過多的分泌物，并可為細胞提供一種濕潤的復愈環(huán)境，保持傷口維持一定的濕度，加快了表皮細胞的繁殖速度，有利于保持細胞活性，促進生長因子的釋放，從而增進愈合效果。同時，海藻纖維具有可生物降解性，廢棄物在微生物作用下極易分解為CO2和H2O，不會對環(huán)境造成污染，織物穿著舒適、衛(wèi)生、環(huán)保。

1.7 其他性能

海藻中含有脂類、萜類、酚類、多糖類、鹵化物等多種抗菌活性物質，海藻纖維織物對革蘭氏陽性菌和陰性菌均具有較好的抑菌性，且易溶于堿性溶液中。［8］

海藻纖維還具有較好的易去除性，將其制成敷料貼敷于傷口表面，當海藻纖維與組織滲出液接觸后，會形成一層柔軟的水凝膠，不會黏連傷口。在傷口愈合過程中，高G段海藻纖維膨化較小，可以將其整片拿掉;而對于高M段海藻纖維，可采用溫鹽水溶液將其去除，極大地保護了傷口周圍的新生組織。［9］

2 海藻酸鹽及纖維的應用［10］

2.1 紡織中的應用

海藻酸鈉是活性印花染料中使用最廣的增稠劑，在堿性環(huán)境中，大分子中的羧基發(fā)生電離帶有負電荷，與染料中的陰離子產生斥力作用，促使活性染料從增稠劑中轉移到織物上，從而得到較好的染色效果。在后道清洗過程中，海藻酸鈉易于清洗，染料損失較少;花紋清晰、鮮艷，織物手感柔軟，適用于棉、羊毛、絲、合成纖維等多種織物的印花。

海藻纖維可以用于制作毛巾、服裝等，在紡絲前，可通過對海藻酸鈉進行改性處理以改善面料的保暖性、柔軟性等，是一種新興的生物質紡織材料，應用前景十分廣闊。

2.2 食品中的應用

海藻酸鹽在食品中的應用由來已久，公元前600多年，人類就開始食用海藻。隨著研究的不斷深入，科學家們發(fā)現，海藻不僅是一種低熱量、低脂肪而又利于健康的保健食品，從海藻中提取的海藻酸鈉也是一種優(yōu)良的食品添加劑，具有獨特的增稠性、乳化性、穩(wěn)定性、懸浮性、成膜性以及凝膠特性，應用于飲料、面點及各種肉制品中，能顯著改善食品的物理性能或組織狀態(tài)，且不參加體內代謝，無過敏反應，不會影響食品的顏色和味道。

低濃度的海藻酸鈉還可作為仿生食品的原料，生產人造海蜇絲、人造葡萄、人造皮蛋、仿生魚翅等，其外形、口感、營養(yǎng)價值等毫不遜色于天然食物。由于海藻酸鈉具有良好的成膜性，可用其生產可食性食品包裝膜。［11］

2.3 廢水處理中的應用

人類的生產生活以及工業(yè)廢水中常產生大量的有毒重金屬離子(如鉛、汞、鎘、鈷等)，它們會被直接排入大氣、土壤、水中，以各種化學形態(tài)存在，無法被生物降解，在進入生態(tài)系統(tǒng)后就會積累和遷移，造成環(huán)境污染和資源浪費，嚴重危害人類的生存和發(fā)展。

海藻纖維大分子鏈中含有大量的羥基和羧基，是一種聚陰離子化合物，G單元對重金屬離子具有較強的絡合能力，形成穩(wěn)定的“蛋盒”結構。因此，海藻纖維常被用作廢水的吸附劑。而且，海藻纖維吸附重金屬離子后能夠保持纖維原有的形狀，且可用酸對吸附重金屬離子后的纖維進行處理，以便于回收利用，既可減輕環(huán)境污染，又可降低成本。

2.4 生物醫(yī)學中的應用

海藻纖維在醫(yī)學上主要被用作醫(yī)用敷料，纖維在與傷口上的膿血接觸后，血液中的鈉離子與纖維中的鈣離子發(fā)生離子交換反應，大量的鈉離子與水分進入纖維使其由纖維狀變成水凝膠狀，由于凝膠具親水性，可使氧氣通過、阻擋細菌，促進新組織的生長。在更換或移除敷料時不會產生粘連，減少病人傷口的不適感，從而給傷口提供一個潮濕的復愈環(huán)境。［12－13］

3 功能性海藻纖維

雖然海藻纖維具有很多優(yōu)良特性，但由于純海藻纖維強力較低，紡絲困難，使其應用受到極大限制。因此，近年來國內外學者對其進行大量研究，在保持海藻纖維原有性能的基礎上，附加許多其他功能，進一步擴大其應用范圍。

3.1 高吸濕海藻纖維

海藻纖維吸濕性的好壞取決于纖維中G單元與M單元的比例。其中，M單元與金屬離子可形成離子結合，大量Ca2+被Na+取代，使纖維具有較好的吸濕性;而G單元和金屬離子主要形成配位和整合結構，與鈉離子發(fā)生交換的比例較小，吸濕性較差。［14］因此，大分子鏈中G單元的比例越高，纖維吸濕性越好。現階段研究的高吸濕海藻纖維，主要是對海藻酸進行改性或將其與其他高吸濕原料進行共混紡絲，賦予纖維極高的吸濕性。

3.2 遠紅外海藻纖維

從纖維結構上來說，遠紅外纖維可分為兩類:一種是將遠紅外粉末均勻地分散在成纖聚合物截面上的單一組份纖維;另一種是具有一個或多個芯層結構的遠紅外復合纖維。遠紅外海藻纖維是指在室溫下將遠紅外陶瓷粉末直接加入到海藻酸鈉紡絲液中，在分散劑的作用下使其均勻分散，然后采用濕法紡絲工藝制備出永久性遠紅外海藻纖維。

3.3 抗菌除臭海藻纖維

抗菌除臭海藻纖維的制備主要是通過在海藻纖維紡絲液中添加抗菌劑(如金屬銀離子、殼聚糖、蘆薈等)和對皮膚刺激性較小的香精、植物提取物等，制得的海藻纖維在具有較好抗菌性的同時可以掩蓋住身體或環(huán)境中異味，使人們感覺不到異味的存在。

德國的AlceruSchwarza公司以Lyocell纖維的生產制造工藝為基礎，在其紡絲溶液中加入很細的海藻粉末與抗菌劑成分予以抽絲制備出一種具有抗菌功能的SeaCell海藻纖維，能緩慢釋放銀離子，持久提供抗菌功能;秦益民等［15］將不溶于水的銀化合物顆粒添加到海藻酸鈉紡絲液中，濕法紡絲制得高吸濕抗菌海藻纖維，在服裝穿著、洗滌過程中纖維性能不會受到任何影響。

3.4 相變調溫海藻纖維

相變調溫海藻纖維是在海藻酸鈉紡絲溶液中添加相變微膠囊作為調溫劑，形成混合紡絲液，然后采用常規(guī)濕法紡絲工藝制取相變調溫海藻纖維。該纖維具有雙向溫度調節(jié)作用，可防止凍傷，也可用作醫(yī)用敷料，促進傷口愈合，還可用于制備燒傷病人服裝等。展義臻等［16］采用液體石蠟制備了一種相變微膠囊，將其添加到海藻酸鈉紡絲液中進行共混紡絲制備出具有溫度調節(jié)作用的相變調溫海藻纖維

3.5 電磁屏蔽海藻纖維

隨著科學技術的飛速發(fā)展，手機、電腦等高科技產品已成為人們生活中不可或缺的工具，但這些電子產品在使用時會發(fā)射大量電磁波，嚴重影響人體健康，因此，如何開發(fā)出具有電磁屏蔽效應的服裝面料成為紡織行業(yè)研究的熱點。近年來，有研究學者發(fā)現了海藻纖維織物在防電磁輻射方面的顯著作用，并逐漸受到重視。原因可能是由于海藻酸大分子中存在G單元結構以及－COO－、－OH等多種活性基團，它們都可以螯合金屬離子，形成穩(wěn)定的化合物。同時，在纖維基質中存在許多離子，隨著其含量的增加，離子之間的結合力逐漸增強，當結合力達到一定程度時足以克服離子間的靜電斥力作用，使其相互之間可以連接形成導電粒子鏈，從而賦予織物電磁屏蔽效能。［17］

3.6 阻燃海藻纖維

海藻纖維可阻燃的原因在于海藻酸大分子獨特的結構性能，以及纖維中含有較多鈣離子的作用。一方面，纖維燃燒時釋放出大量不燃性的CO2降低了可燃性氣體的濃度;另一方面由于鈣離子的存在，纖維燃燒時可能會生成CaO或CaCO3等沉淀覆蓋在纖維大分子表面，在兩者共同的作用下，阻燃效果明顯。張傳杰等［18］對海藻酸鈣纖維進行阻燃性能測試，實驗表明:雖然纖維在燃燒過程中熱量的釋放速率較慢、總放熱量也較少，但是生成二氧化碳的速率比較高，極大地稀釋了可燃性氣體的濃度，因此具有較好的阻燃性能。

4 前景展望

海藻纖維作為一種生物質高分子材料，近年來得到越來越多的關注。我國擁有豐富的海藻資源，已成為海藻纖維的生產大國。相信在不久的將來，通過各界專家學者的進一步努力，我國必將在海藻纖維的研究、開發(fā)和生產中更上一層樓，人們的生活將會與海藻纖維有著更為密切的聯系。

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