高质量的纯壳聚糖纤维——海斯摩尔

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摘要：本文简单介绍了天然抗菌纯壳聚糖纤维——海斯摩尔，它是由高纯度片状壳聚糖为原料，经全程清洁生产、绿色纺丝制得。详细介绍了海斯摩尔产业化中关键技术的突破，并进一步阐述了海斯摩尔在纺织、航天、军工、烟草、医疗等领域的应用实践。
关键词：海斯摩尔、生物学特性、触变性流体、纺丝级高品质壳聚糖、高可纺性、高剪切直接反应、复合式快速脱泡、大流量高压高密度挤出、分区高密度大直径喷丝板、平推流高温凝固、往复式逆流水洗、应用领域
前言：
生物质纤维是资源可持续发展的战略方向，壳聚糖纤维：原料丰富、具有天然抑菌及优异的生物学特性，是一种既安全又具有多种生物活性的功能性纤维，成为国际倍受关注的海洋生物质纤维主导品种。由于生产技术与装备总体水平较低，长期以来无法突破规模化与高品质化瓶颈，严重影响产业化与应用。
海斯摩尔生物科技有限公司迎难而上，在百吨级纯壳聚糖纤维生产线基础上，深入研究实践，采用了超高黏度、超高脱乙酰度高品质片状壳聚糖为原料，实现多地域纺丝级高品质片状壳聚糖可控提取、高剪切制备高可纺性壳聚糖纺丝液、大流量高压高密度挤出、纤维均匀成形等全产业化关键技术的突破，建立了全球首条高效节能千吨级纯壳聚糖纤维纺丝生产线，生产连续稳定、绿色清洁，这种高质量的纯壳聚糖纤维称为——海斯摩尔，将我国壳聚糖纤维产业化推向世界前沿水平。
一、海斯摩尔的性能研究
1、性能阐述
1.1优良的物理性能：
海斯摩尔为白色有珍珠光泽的纤维，无毒无味，不溶于水和碱溶液，可溶于醋酸、盐酸溶液和大多数有**溶液，具有良好的通透性以及吸湿性和保湿性，保水率可达140%。海斯摩尔的质量主要指标，干断裂强度达到了1.7CN/dtex，干断裂伸长率≥12%。同时采用了适合该纤维的柔软处理工艺，使产品既柔软又富有弹性，可与各种纤维纺制高质量的混纺纱线和无纺布，制成品质优良的医用敷料、日用纺织品，也可单独纺成医疗用品。
1.2优异的生物学特性：
海斯摩尔是一种线性高分子多糖化合物，基本组成单元是氨基葡萄糖，分子中同时含有自由氨基和羟基，尤其带有正电荷，使其化学性质较为活泼，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。纯壳聚糖纤维分子结构如下图所示：
2、与其他同类产品产品的比较
2.1 国外发展状况
1926年knwike首先纺制成甲壳素纤维；1980年日本美羽化学工业公司率先试制了壳聚糖纤维；1995年日本富士纺织公司将甲壳素加入黏胶中制成抗菌纤维；1999年韩国甲壳素公司建立了壳聚糖纤维生产线。有关部门统计了解，这些现在都未有批量生产，都向我国寻求壳聚糖纤维。
2.2 国内发展现状
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，并取得了我国第一个甲壳素纤维的发明专利。直至现在，国内在生产甲壳素和纯壳聚糖纤维的厂家有三、四家，也是没有解决生产的工程化。因此，产量、质量都受到了限制。
二、产业化研究与突破
1、产业化瓶颈
作为一种新型生物质纤维，壳聚糖纤维开发进程国内外基本保持同步。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150 Kg 每日纯甲壳素纤维的生产线。杜邦公司采用甲壳素及其衍生物液晶纺丝。国内，青岛即发基团在2000年建成年产80吨的壳聚糖纤维生产能力。2007年，海斯摩尔生物科技有限公司建立年产百吨级壳聚糖纤维的生产线。总的来说，壳聚糖纤维发展处于产业形成阶段，生产能力有限。此外高脱乙酰度、纺丝级壳聚糖在溶液中的聚电荷效应使得纺丝液黏度过高，影响纺丝液输送和挤出成型，纤维强度较低，卷曲度较小，饱和力较差，纺纱和无纺布加工困难，严重影响产业化与推广进程。主要原因是生产技术与装备总体在低水平徘徊，长期以来无法突破规模化与高品质化瓶颈。
另一方面：壳聚糖纤维开发主要面临原料与市场开发问题：因蟹壳、虾壳种类和品质差异导致的纺丝液性质不稳定，目前大多采用进口鳕蟹脚壳为原料提取，总量有限，难以扩大生产。必须开发高效提取技术，扩展达到纺丝级要求的资源，如其他蟹、小龙虾等。市场开发方面，壳聚糖纤维的内衣、女性用品等制品前景广阔，在医疗、航空航天领域具有特殊用途，但是纤维基础力学性能差，后加工困难，难以应用，必须提升纤维的力学性能或开发专用后加工技术。
2、产业化技术突破：
2.1纺丝级高品质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业化发展的前提。由于不同种类虾、蟹壳分子量存在巨大差异,特别是淡水中生长周期短的虾蟹壳，固有的甲壳素分子量低，有效控制提取纺丝用高品质壳聚糖存在极大技术难度。
我们通过数千次潜心试验，研究了多种来源的虾、蟹壳的组成、微观结构、分子量与分布及酸碱作用机理，通过筛选多地域虾、蟹壳，得到组分类似的虾、蟹壳，后通过柔性可控工艺，两次脱钙、脱脂和特有的脱乙酰技术，提升了鳕蟹壳聚糖品质与效率，成功实现其它蟹类、小龙虾等多种资源纺丝用壳聚糖的提取，拓展了纺丝级壳聚糖资源。
2.2高可纺性壳聚糖纺丝液制备技术。
深入研究壳聚糖脱乙酰化、黏度与溶解、降解机理，开发片状壳聚糖高剪切直接反应、溶解一体化技术，实现超高脱乙酰度、超高黏度壳聚糖原料均质化、快速溶解，设计真空刮膜式脱泡装置，开发复合快速脱泡技术，制备可纺性良好的均质高黏度壳聚糖纺丝液。
2.2.1 片状壳聚糖高剪切直接反应、溶解一体化：
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，我们将片状壳聚糖加溶剂采用多层高剪切力可调搅拌釜直接溶解，减少了工序和能耗，避免了壳聚糖大分子结构受到破坏，实现高黏度、高脱乙酰度纺丝液的快速制备。溶解时间缩短一半，纤维强度提升30%。
2.2.2 复合式快速脱泡技术：
经过过滤的纯壳聚糖纺丝液，采用高压压缩空气输送至真空反应釜内钻满小孔的管道进行分离，分离好的纺丝液经过伞流板刮膜、搅拌，溶液位置不断变化，气泡靠近界面层快速脱出，比常规静态脱泡，减少用时10—34小时，纺丝液保持了原黏度的90%。
2.3大流量高压高密度挤出、纤维均匀成形技术
基于壳聚糖纺丝流变特点与纺丝成型机理，开发了大流量计量泵高压触变性流体挤出技术、分区高密度大直径喷丝板、平推流高温凝固技术，实现高效挤出、均匀成形，全纺程调控纤维结构与强度；大力提升壳聚糖纤维的强度与均匀性。
2.3.1 大流量计量泵高压低温触变性流体挤出技术：
海斯摩尔纺丝时，纺丝液的黏度高达500000mpa?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，致使温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，我们采用双进料腔进料，提高进料效率，加大单次输送量，并采用高压挤出相适应的齿轮间隙，专门设计制造适合高黏度、大流量纺丝液的计量泵，可将黏度最高达500000mpa?s的纺丝液每转供出300ml，每分钟供出15公斤，实现高黏度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。
2.3.2 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，挤出均匀，成型位置影响小，断丝少。1000个/cm2的喷丝孔均匀分布在整个喷丝板面积上，总计150000孔，纺丝时采用卧式双喷丝位，使得生产时纤维数量达到300000根，形成年产千吨级生产能力。
2.3.3 平推流高温凝固技术：
计量泵采用15㎏的高压力将纺丝液从15万孔的喷丝板中喷出，进入高温凝固浴，凝固浴以大于丝束喷出速度同向流动，起到推动、分散丝束的作用，使得凝固剂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。
2.4千吨级纯壳聚糖纤维纺丝工程与全流程节能、绿色清洁生产。
2.4.1 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，吨纺丝液输送减少用时接近一倍，节省电量16KWh，而且纺丝液黏度稳定。
2.4.2 2000吨级中水回用系统：
车间地底，建有2000吨的地下水池，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两种最先进的两级联合中水处理系统。使水的回收利用率高达90%以上，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。
2.4.3 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，减少车间用地60%。同时，紧凑型设计实现了多段水洗的参数可调，可根据工艺需要灵活改变水洗条件，保证纤维水洗质量。
2.5纤维后加工与制品开发关键技术。
2.5.1无卷曲海斯摩尔制条技术
采用柔性梳理技术和柔软剂，调节工艺参数，实现海斯摩尔无须加卷曲下微损制条，制成率高达99%。
2.5.2多组分多形态壳聚糖材料的全色系染色技术
着色过快、在酸性条件下易溶解的的特点，结合其他纤维染料技术，专门设计了从单组份壳聚糖至多组分、多形态壳聚糖材料的全色系染色技术。通过调节多种类型的染料，染色时的pH，时间和皂洗等工艺条件，形成了全色系染色技术，实现纯壳聚糖纤维的全色系染色。
2.5.3海斯摩尔制品开发
开发了水刺、针刺、热风非织造布，针织、机织面料等制品，男女内衣、医疗卫生用品等多领域产品。特别是与四川航天系统开发设计了航天用海斯摩尔多种功能布，获国防发明专利，专利号201218002334.4；与中检院合作研究壳聚糖外科植入膜类产品，已列入国家863计划。
3、产业应用实践
3.1、在医疗卫生行业的应用实践
海斯摩尔具有广谱抑菌性、防霉性、优异的生物相容性和无免疫原性，还具有吸附螯合，止血促愈、减少疤痕的作用。基于海斯摩尔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。海斯摩尔公司已投产运营“千吨级纯壳聚糖纤维生产线”，在纯壳聚糖纤维行业走在了世界前列，中国人民解放军军事装备研究所选用海斯摩尔为材料，生产医用包扎绷带数十万平方米，已应用到医疗上；台湾知名企业选用海斯摩尔为材料，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大陆和台湾多家医院，市场反馈良好；英国公司选用速吸水海斯摩尔，正在试制止血棉。目前，海斯摩尔公司正与中检院、中科院、温州医科大学联合进行海斯摩尔疝补片等外科植入物产品的开发研究。
3.2、在纺织领域的应用实践：
海斯摩尔公司以海斯摩尔为原料开发生产了海斯摩尔含量在10%-30%的系列混纺纱线及纺织品，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。与上海、杭州、广州、南通、张家港、北京、义乌等地的国内100余家优秀企业分别建立产业发展合作关系，包括香港安莉芳、北京新时代、北京铜牛、杭州天奇、上海嘉麟杰、广东康妮雅等，涵盖纺纱、印染、织布、针织、内衣、无纺布等各个领域的高端企业组织，共同攻克了染色、织造、整理、后处理等领域的所有技术难题，且保持了纤维的高含量和功能性，形成了协同发展的联动机制。
3.3、在航天领域的应用实践
2010年，海斯摩尔生物科技有限公司总工程师周家村先生接受国家关于研发“天宫一号”航天特种功能布的研发任务。经过科研攻关技术创新，2011年研发成功以海斯摩尔为核心原料的“航天特种功能布”它具备抑菌、阻燃、抗静电、防霉、240℃高温脱气无毒等优良特性，目前属于国际领先。2011年6月海斯摩尔生物科技公司成为“中国航天事业合作伙伴”;旗下“华兴牌纯棉纱线、麻棉纱线”、“海斯摩尔牌壳聚糖纤维材料”“海慈密语牌内衣”三大类产品成为“中国航天专用产品”，并且海斯摩尔成为纯棉纱线、麻棉纱线、壳聚糖纤维材料和内衣产品领域唯一的“中国航天事业合作伙伴”。
3.4、在军工领域的应用实践
开发设计了武警作训、作战内衣、急救纱布、战靴里衬材料等非敏感性军需品。壳聚糖产品对伤口具有舒缓疼痛、止血促愈、减少疤痕的作用，已得到国外实战检验，壳聚糖军需品是军用纺织品发展的一个方向。本项目军用纺织品的开发起到了良好的引导和示范作用。
3.5、在烟草行业的应用实践
海斯摩尔含有活性的羟基、游离的氨基、富电子的吡喃环等功能基团，具有吸附螯合重金属、甲醛、苯、一氧化碳等有害物质，从而降低烟草对人体的伤害，且保留了人们在吸烟时的口感。因此，可作为烟草滤材或其滤材添加剂在烟草工业中广泛应用。目前，公司绕壳聚糖作为烟草滤材或其添加剂的应用研究已开展了大量工作，并取得良好进展，为其实际应用推广奠定了很好的理论基础和研究成果。
4 综述
纯壳聚糖纤维所具有的优异性能已经得到学术界和产业界的公认.但产业化问题却成为制约壳聚糖纤维大规模产业应用的瓶颈。海斯摩尔生物科技有限公司历经5年多的公关，成功解决了纯壳聚糖纤维产业化难题，建立起了年产2000吨的示范线，所生产的海斯摩尔不仅性能优良，还在医疗卫生、纺织、航天、军工及烟草等行业得到了应用，客户遍及国内外。其产业化成就得到了中国纺织工业联合会的高度认可，获得了2013年度中国纺织工业联合会科技进步一等奖，并经中国纺织工业联合会推荐参加国家科技进步一等奖评选。
接下来，海斯摩尔生物科技有限公司需要进一步加强与中国食品药品检定研究院、中国科学院理化技术研究所等合作单位的合作，加快推进海斯摩尔在医疗卫生、烟草等行业的研究和产业应用，以更好地发挥海斯摩尔在促进人体健康、提升生活质量方面的作用。另一方面，海斯摩尔生物科技有限公司还应当肩负起引导行业发展的责任，利用自己行业领头羊的身份，引导壳聚糖纤维行业得以持续、健康、快速发展。