1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 含铜海丝纤维释放铜离子的性能研究 所在学院 专业班级 纺织工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要： 海丝纤维是一种具有特殊生物活性的功能性纤维。这样的纤维结合了再生纤维素纤维的强度和柔软性，以及海藻植物所含有的 天然活性成分，具有保健、护肤、抗菌等功效。海丝纤维包含的海藻颗粒中含有对金属离子有很强吸附性能的海藻酸，在与含有铜离子的水溶液处理后，海藻颗粒吸收铜离子后得到具有很强抗菌性能的含铜海丝活性纤维。由于铜离子具有特殊的抗菌性能及生物活性，含有铜离子的海丝纤维是一种具有特殊生物活性的功能性纤维。铜离子与人的身体密切相关，
2、对人体衰老，皮肤病都有影响。含铜海丝纤维在水溶液中可以释放铜离子。不同的水溶液，及不同浓度的溶液，温度对含铜海丝纤维释放铜离子有不同的影响。 关键词： 海丝纤维 铜离子 海藻酸 人体健康 微量元素 衰老 性能 结构 生理盐水 温度 蛋白质溶液 释放 吸附 2 II Title The study on Copper Seacell fiber properties of copper ion release Abstract： Seacell fiber is a kind of special functional fiber with biological activity. Such f
3、iber combines the strength and softness of regenerated cellulose fibers, and the seaweed plants contain natural active ingredients with health care, skin care, antibacterial and other effects. Seacell contains seaweed fiber particles which have a strong adsorption of metal ions. Seaweed particles ab
4、sorb copper ions when in aqueous solution containing copper ion, then become copper Seacell active fiber with a strong antibacterial property. Because copper ions have a special anti-bacterial property and biological activity, containing copper ions Seacell fiber is a special biological activity of
5、functional fiber. Copper is closely related with the human body,affecting human aging, skin diseases. Copper Seacell fibers can release copper ions in the aqueous solution. Different kind of solution, different concentrations of solution ,and temperature have effects on the release of copper. Keywor
6、ds: Seacell fiber Copper Alginate Human Health Trace Elements Senescence Performance Structure Temperature Protein solution Release Adsorption 2 III 目 录 1 绪 论 . 1 1.1海丝纤维的生产方法 . 1 1.2海丝纤维的结构和性能 . 1 1.2.1 海丝纤维的结构 . 1 1.2.2 海丝纤维的性能 . 2 1海丝纤维的吸附性能 . 2 2 海丝纤维的生物活性 . 2 1.3 微量元素与人体健康 . 3 1.3.1 微量元素与衰老 . 3
7、 1.3.2 必须微量元素与皮肤病 . 3 1.3.3 铜的作用 . 4 1.4 海藻酸对铜离子的吸附 . 4 2 实验部分 . 7 2.1 分析方法 . 7 2.1.1 原子吸收光谱法的原理 . 7 2.1.2 原子吸收光谱的特点 . 7 2.2 实验内容 . 7 2.2.1 实验的材料 . 7 2.2.2 实验仪器 . 7 2.2.3 实验设备 . 8 2.3 实验步骤 . 8 2.3.1 铜离子浓度对海丝纤维吸附性能的影响 . 8 2.3.2 时间对海丝纤维吸附性能的影响 . 8 2.3.3 温度对海丝纤维吸附性能的影响 . 8 2.3.4 海丝纤维在生理盐水溶液中释放铜和锌离子的性能测
8、试 . 8 2.3.5 海丝纤维在含蛋白质的水溶液中释放铜离子的性能测试 . 9 2.3.6 温度对海丝纤维释放铜离子性能的影响 . 9 2.3.7 实验注意事项 . 9 3 结果与分析 . 11 3.1.海丝纤维对铜离子吸附性能的研究 . 11 3.1.1 铜离子浓度对吸附性能的影响 . 11 3.1.2 时间对吸附性能的影响 . 13 3.1.3 温度对吸附性能的影响 . 16 3.2含铜海丝纤维释放铜离子性能的研究 . 18 3.2.1 时间对释放铜离子性能的影响 . 18 3.2.2 浓度对释放铜离子性能的影响 . 19 3.2.3 温度对释放铜离子性能的影响 . 20 3.3实验现象
9、 . 21 4 结论 . 23 参考文献 . 24 2 IV 致 谢 . 错误 !未定义书签。 2 1 1 绪 论 海丝 (Seacell) 纤维结合了纤维素纤维和海藻植物的性能 ， 具有保健、护肤、抗菌等效果 ， 是一种具有生物活性的纤维素纤维。由海丝纤维制成的织物手感好 ， 光 滑柔软 ， 吸湿透气 ， 穿着舒适 1。由于其主要的成分是再生纤维素纤维 ， 海丝纤维的成纱性能好 ， 染色均匀 ， 色彩鲜艳 ， 具有很好的光泽和悬垂性。因纤维中海藻成分的存在 ， 海丝纤维对皮肤有自然的护肤美容和保健等功效 . 海丝纤维包含的海藻颗粒中含有对金属离子有很强吸附性能的海藻酸，在与含有铜离子的水溶液
10、处理后，海藻颗粒吸收铜离子后得到具有很强抗菌性能的含铜海丝活性纤维。由于铜离子具有特殊的抗菌性能及生物活性，含有铜离子的海丝纤维是一种具有特殊生物活性的功能性纤维。本次实验主要研究海丝纤维在生理盐水溶液中释放铜离子的性能测 试；海丝纤维在含蛋白质的水溶液中释放铜离子的性能测试；温度对海丝纤维释放铜离子性能的影响。 1.1 海丝纤维的生产方法 海丝纤维的生产采用了先进的溶剂法技术把纤维素转化成再生纤维素纤维。尽管以粘胶纤维为代表的再生纤维素纤维的生产已经有 100 多年的历史 ， 传统的生产方法一般采用碱纤维素与二硫化碳反应得到的纤维素磺原酸钠溶液作为纺丝溶液 ， 进入酸性介质后得到丝条。这种方
11、法的缺点是生产过程使用了大量的酸、碱和二硫化碳气体 ， 环境污染严重。 20 世纪 90 年代发展起来的溶剂法生产再生纤维素纤维的工艺采用 N-甲基吗啉 -N-氧化物 (简称 NMMO) 直接溶解纤维素 ， 纺丝后得到纤维。 2 在海丝纤维的生产过程中 ， 首先将木浆中的纤维素溶解制成溶液 ， 然后与海藻粉末混合后纺丝。其中纤维素为主要的原料 ， 得到的纤维是一种以纤维素为载体 ， 以海藻粉末为活性成分的复合材料。在生产过程中根据原料来源的不同 ， 木浆可以采用干、湿或湿 + 酶法进行预处理 ， 然后用 NMMO 溶解。在加工过程中 ， 海藻是以固体状态被混入纤维的。由于溶剂法生产的再生纤维素
12、纤维的直径一般为 10 15 m ， 加入纤维中的海藻粉末的直径应该在 9 m以下。在生产过程中 ， 海藻粉末可以在木浆 溶解前或在溶解过程中与纤维素溶液混合。海藻粉末可直接加入纺丝液中 ， 或以悬浮液的方式加入。生产过程中木浆中的纤维素被 NMMO 溶解后形成均匀的溶液 ， 加入海藻粉末后经高速搅拌充分混合 ， 然后真空脱泡形成纺丝溶液。纺丝溶液在挤出喷丝孔后先进入一个空气层 ， 然后进入一个含 NMMO 的水浴 ， 使纤维素凝固成丝条 ， 经过进一步的牵伸、水洗、干燥等工序形成纤维。 1.2 海丝纤维的结构和性能 1.2.1 海丝纤维的结构 海丝纤维的生产采用 NMMO 为溶剂的 Lyoc
13、ell 工艺 ， 这种工艺生产的纤维有很高的取向度 ，纤维的结晶度也高于其他各 种再生纤维素纤维。由于纤维沿轴向的规整性 ， 纤维的内部结构紧密 ，缝隙孔洞少 ， 易于原纤化 ， 断裂时可以明显地观测到断裂面上的原纤化现象。海丝纤维的结构与一般的 Lyocell 纤维有所不同。由于海丝纤维中分布着海藻颗粒 ， 纤维内部紧密的结构在一定程2 2 度上受到破坏 ， 其断裂时截面不像 Lyocell 纤维那样有许多沿着纤维方向的微纤维。纤维的断裂面很干净 ， 说明纤维的原纤化得到了改善。经过磨碎的海藻粉末被均匀地分散在纤维的结构中。由于纤维素的含量大大高于海藻粉末的含量 ， 海藻粉末被包含在纤维素中
14、 ， 有一定的稳定性 ， 可以在使用过程中 持续地释放出活性成分。 3 海丝纤维的生物活性来源于生产过程中加入纤维结构中的海藻成分。海藻在自然界中的分布十分广泛 ， 目前已知的藻类生物有 22 000 多种 。海丝纤维生产过程中使用的海藻主要有 2 种 ， 棕藻类和红藻类。 4 1.2.2 海丝纤维的性能 1 海丝纤维的吸附性能 海丝纤维大分子在每一个重复单元中都有四个羟基。两个羧基。而水分子与羟基、羧基形成氢键。因此纤维的吸湿性强。再次，由于海丝纤维是湿纺纤维，纤维中存在大量的微孔也有利于吸水和保水。所以，海丝纤维是比较好的吸附材料。海丝纤维生产中采用的海藻 主要为棕藻和红藻。这 2 类海藻
15、的植物结构中分别含有丰富的海藻酸和卡拉胶。由于海藻酸分子中含有羧酸基团 ， 可以与金属离子结合成盐。卡拉胶的分子结构中含有硫酸基 ， 可以与钙、镁、钾、钠、铵等形成盐 5 。所以海丝纤维具有较强的吸附性能。 2 海丝纤维的生物活性 海丝纤维的生物活性来源于纤维中的海藻。海藻植物含有海水中的矿物质、维生素和蛋白质。当贴身使用该织物时 ， 肌肤会通过汗液及皮肤上的潮湿环境与纤维进行物质交换。纤维所含海藻中的活性成分通过皮肤进入人体 ， 起到促进血液循环并激活表皮细胞的作用 ， 使皮肤绷紧并保持其光滑 细腻。海丝纤维特别适用于过敏性体质和患有皮肤病的消费者。海丝纤维产品的抗菌特性有益于因病菌感染或过
16、敏反应引起的皮肤炎症的康复。海丝纤维中的海藻粉末所含的活性成分包括矿物质、蛋白质和维生素以及在纤维活化过程中引入的银离子。海丝纤维中主要的矿物质是钙、镁和钠离子。当与水性介质接触后 ， 纤维中的这些金属离子可以持续地从纤维中释放出来。实验结果显示在用去离子水冲洗 72 h 后 ， 纤维中大部分的钙和镁仍然保持在纤维的结构中 ， 说明海丝纤维释放金属离子是一个相当持久的过程 6 。在对纯海藻、海丝纤维以及海丝纤维织物中的氨 基酸进行分析后发现 ， 纯海藻中的氨基酸也存在于纤维及织物中 ， 并且各种氨基酸之间的比例基本相同 ， 说明海藻中的蛋白质成分在加工过程中被保留在纤维结构中。纯海藻含有维生素
17、 C、维生素 E 及胡萝卜素。在对纯海藻、海丝纤维以及海丝纤维织物中的各种维生素进行分析后发现 ， 水溶性的维生素 C 只存在于原始的海藻中 ， 而不溶于水的维生素 E 及胡萝卜素则可以在纤维及织物中发现。海丝纤维可以在潮湿的环境下缓慢地释放出具有生物活性的矿物质、蛋白质和维生素E 及胡萝卜素 ， 而胡萝卜素是合成维生素 A 的原料。对人体皮肤而言 ， 维生素 A 可以调节表 皮及角质层的新陈代谢 ， 使表皮和黏膜不受细菌的侵害。维生素 A 在抗老化、去皱纹 ， 使皮肤斑点淡化、光滑细嫩及预防皮肤癌等方面有相当广泛的应用。它能改善皮肤细胞壁的稳定性 ， 减轻空气污染物质对皮肤造成的伤害 7 。
18、海丝纤维与皮肤接触的过程中可以通过释放活性物质 ， 刺激皮肤产生含氨基葡萄糖的化合物。皮肤中的透明质酸是典型的氨基葡萄糖类物质 ， 它可以与水结合 ，2 3 避免皮肤的干燥。当皮肤受到环境中自由基及其它有害物质的损伤时 ， 透明质酸能帮助皮肤修复。海丝纤维通过促进透明质酸的生产起到保健皮肤的作用。 1.3 微量元素与人体健 康 1.3.1 微量元素与衰老 鉴于异常自由基反应及其与衰老的关系 ， 以及微量元素在催化或抑制自由基反应和清除反应中产生的有害物质方面的作用 ， 微量元素硒、锌及结合于酶中硒、锌、锰、铜对延缓衰老起积极作用。解脱 “ 隔室封闭 ” 的铁 ， 可能还有铜离子 ， 则可催化自
19、由基反应 ， 加速衰老过程。已经清楚 ， 不仅胚胎发育及伤口愈合等过程中结缔组织的生长和维持不可缺少黏多糖而且像动脉粥样硬化、骨关节炎等退化现象以及整个衰老过程都与黏多糖的显著变化有关。 8 鉴于硅与黏多糖及胶原的关系 ， 硅与衰老也有密切的联系。一些实验和 观察结果也证明这种联系的存在。例如 ， 曾发现兔、大鼠、鸡和猪的主动脉、皮肤和胸腺的硅含量随年龄的增长而显著下降 ， 而心、肾、肌肉等组织则没有这种变化。人体也有相似情况。有报道指出 ， 人类皮肤的真皮部硅含量随年龄的增长而减少。法国研究者证实 ， 正常人主动脉中的硅含量随着年龄的增长而明显地降低 ， 而且动脉壁中的硅水平随着动脉粥样硬化
20、的发展而降低。适量氟有利于钙和磷的利用及在骨骼中的沉积 ，加速骨骼的形成 ， 增强骨骼的硬度。一些研究者指出 ， 氟主要通过降低矿物的溶解度而对骨吸收起抑制作用。老年缺氟可致骨质疏松 ， 易发生骨折。 常年摄取较大量的氟 ， 如饮用氟质量浓度为1 10 - 6 g / L 天然水能降低老年性骨质疏松症的发生率。 1.3.2 必须微量元素与皮肤病 必需微量元素是人体必不可少的微量元素 ， 在人体防治各类疾病中占有重要地位 ， 不足或缺乏都可能引起身体不适或疾病 ， 皮肤的疾患与必需微量元素也同样有着密切的联系。必需微量元素铁 : 铁缺乏时极易引起缺铁性贫血病 ， 人体贫血极易引起机体免疫力下降
21、， 所以贫血病人特别容易感染皮肤黏膜念珠菌性皮炎。必需微量元素铜 : 人体缺乏铜离子时可使毛发蜷曲、皮肤松弛 ， 白癜风是一种病因 还不十分明确的色素障碍性皮肤病 ， 其发病机理目前还没十分明了 ， 但有一种学说认为铜离子缺乏是引起白癜风皮肤病的原因之一。虽然铜离子在皮肤中的含量极少 ， 但它是合成黑色素的关键酶即酪酶的主要成分之一 ， 在有氧的条件下 ， 酪酸酶可将酪氨酸转化为多巴 ， 而多巴又被酪氨酸酶进一步氧化为多巴醌 ， 再经过聚合作用 ， 最后形成黑素小体。 9根据这些原理 ， 近年来国内有许多专家和学者采用中药紫铜入复方方剂中治疗白癜风皮肤病 ， 取得了可喜的疗效。必需微量元素锌
22、: 锌在皮肤中的含量约为人体总含量的 20% ， 由此可见皮肤是对 锌缺乏表现最为敏感的器官。锌具有抵抗紫外线的辐射、促进伤口愈合、提高机体抵抗力、抗氧化、对皮肤有光保护等作用。机体缺乏锌易引起的皮肤病常见有脱发、痤疮、慢性皮肤搔痒症、营养障碍引起的慢性皮肤溃疡、白癜风、疱疹样皮炎、银屑病、黏膜扁平苔癣等等。目前专家和学者采用补锌疗法治疗以上皮肤病 ， 都取到了满意的效果。肠病性端皮炎是一种发生于婴幼儿的正常染色体隐性遗传病 ， 主要表现为口腔部糜烂、肢端皮炎、腹泻和脱发、营养及发育不正2 4 常。经过研究发现该病是由于锌缺乏及肠内运输蛋白或结合锌载体的缺损 ， 使锌的吸收发生障碍 ， 因 而
23、导致该病的发生。及时补充锌制剂 (硫酸锌、葡萄糖酸锌、锌微宝 )治疗后即可痊愈。 1.3.3 铜的作用 1 铜与衰老 铜是人体必需微量元素之一。成人体内约含 100 150 mg， 而每天摄入量只有 0.8 mg， 成人每天必需的铜摄入量为 2 3 mg。人们要从以下动植物中摄取铜 : 动物的肝肾含有丰富的铜 ， 小米、黄豆、玉米、菠菜、白菜 ， 以及坚果类食物如核桃、花生、葵花子等含铜也多 ， 海产品牡蛎含铜量特别高。每日正常饮茶也可供给人体一部分铜。为了补充铜还应该有意识地多使用铜的勺、锅、壶、铲 ， 因铜器能溶出微 量的二价铜离子很容易为人所吸收。国外一些科学家在研究中发现 : 铜元素在
24、组织癌变过程中起着抑制作用。铜元素还能预防心血管、冠心病疾病 ， 其机理是铜在体内参与金属氧化酶的形成 ， 这些酶是构成心脏血管的基质胶原和弹性蛋白合成过程中所不可缺少的物质。含有铜的赖氨酰氧化酶与胶原纤维的交联物 ， 是人体疏松结缔组织、肌腱、骨骼、牙齿、软骨等组织结构物质 ， 因此体内缺铜 ， 其酶催化作用会减弱、交联反应也不完全 ， 人就会感到筋骨乏力。人体缺铜的另一个最大的问题 ， 就是造成细胞脂质过氧化作用增强 ， 使衰老过程加剧 ， 如老年人的牙 齿脱落、步履艰难、容易伤筋损骨、易患冠心病及心肌梗死等疾病。另外 ， 人体缺铜促使头发黑色素的激素合成不足 ， 黑色素的形成减少 ， 头
25、发就会变白。 10 2 铜的杀菌作用 近年来 ， 铜的微量作用在人们的生活中被广泛地应用 ， 特别是人们利用铜纤维制造的袜子、吊带衫、床单、毛巾、内衣、口罩、抹布以及空调滤纸、水管用净水器、淋浴喷头等。当夏天来临时 ， 人们更关心如何防止空调系统中病菌和细菌传播。根据这一原理 ， 铜可以用于空调系统的杀菌。根据疾病预防控制中心的专家建议 ， 通过安装或改装空调的空气过滤网 ， 以铜质的网面代替塑料材料 ， 可以有效防止病菌的滋生和散发。以后市场上将有可能推出安装铜质储水罐和过滤网的新型空调 ， 利用铜的自然杀菌功效 ， 使空调能满足杀菌换气的要求 ， 提高空气质量 ， 获得清新空气 ， 保障人
26、体健康。铜的杀菌作用很久以来就被医疗机构所应用 ， 它有利于保持用具的卫生清洁。在医院的医疗器械上 有很多铜、铜的合金 (黄铜居多 ) 或复合材料使用的实例。如在临床上广泛使用的压舌条、导尿管、消毒盆等 ;特别在医院的走廊、楼梯的扶手以及洗手间、厕所、观察室、手术室、病房等地方 ， 使用铜质材料制造的把手要比使用其他材料更安全。铜还在预防环境污染 方面开始发挥作用。例如 ， 当聚氨酯塑料泡沫含有铜或氧化铜时 ， 能大大减少这种塑料燃烧时所释放出致命的有毒气体 氢氰化物 ( HCN) 。 1.4 海藻酸对铜离子的吸附 海藻酸是一种由 -D-甘露糖醛酸和 -L -古罗糖醛酸组成的天然高分子材料，它
27、广泛存在于各种类型的褐藻植物中。作为一种高分子羧酸，海藻酸可以与各种金属离子结合成盐，如水溶性2 5 的海藻酸钠、海藻酸钾、海藻酸铵以及不溶于水的海藻酸钙等。把海藻酸钠的水溶液通过喷丝孔挤入氯化钙的水溶液后，可以得到海藻酸钙纤维。这种纤维在与含钠离子的液体接触后，通过离子交换 ，不溶于水的海藻酸钙可以转换成水溶性的海藻酸钠。 11由于海藻酸是一种高分子羧酸，它对不同的金属离子具有不同的结合力 ， 对重金属离子的结合力比对钙离子的结合力强。基于此，海藻酸纤维可以被用来吸附水溶液中的重金属离子 12。 作为一种高分子羧酸，海藻酸可以与不同的金属离子结合成盐，生成的海藻酸盐具有良好的离子交换性能。研
28、究表明，用盐酸水溶液处理海藻酸钙纤维。由于纤维中的钙离子被 H+置换，可以得到海藻酸纤维 13；用硫酸钠水溶液处理海藻酸钙纤维后，纤维中的部分钙离子被钠离子置换，可以得到海藻酸钙钠纤维。 图 2 加入三种海藻酸纤维后溶液中铜离子浓度随时间的变化 图 2 显示了在含铜离子的水溶液中加入海藻酸、海藻酸钙及海藻酸钙钠三种海藻酸纤维后溶液中铜离子浓度随时间的变化情况。可以看出，由于海藻酸纤维与铜离子结合形成不溶于水的海藻酸铜，因此海藻酸纤维对铜离子有很好的吸附性能。不过，随着吸附时间的延长，纤维膨胀度增加，一部分已经吸附进纤维的铜离子又与溶液中的离子发生交换，使溶液中的铜离子的浓度开始回升，并最终趋于平衡。
