1、毕业设计 开题报告 纺织工程 含铜海丝纤维释放铜离子的性能研究 一、选题的背景、意义 海 丝纤维是一种具有特殊生物活性的功能性纤维。在海丝纤维的生产过程中，海藻类植物被加工成直径小于 1 m 的粉末后添加进纺丝溶液，然后经过湿法纺丝工艺分散在纤维素纤维中。这样得到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
2、物活性的功能性纤维。 海丝纤维由吉玛公司与其子公司 ALCERU Schwarza 采用纤维素工艺共同开发研制而成， 其成分主要是纤维素和海藻。海丝纤维织物制成的服装柔和、性感并给肌肤体贴的呵护。 海藻中的高效物质全部保存并储存在纤维中，海藻含有海水中的矿物质、维他命和蛋白质。如果皮肤出汗， 比如进行体育运动时， 肌肤会通过纤维进行物质交换。海藻中的高效物质这时能起到促进血液循环并激活纤维素交换的功用，从而绷紧皮肤并保持其光滑细腻。海 丝特别适合于过敏性体质和患有皮肤病的消费者。海丝产品的抗菌特性特别有益于因病菌感染或过敏反应而导 二、相关研究的最新成果及动态 海丝纤维的生产采用了先进的溶剂法
3、技术把纤维素转化成再生纤维素纤维1。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。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。健康和环保是当今最重要的话题之一，是人类可持续发展的主要课题。随着新材料的发展，各种各样的功能性纺织品不断推出，其中具有生物活性的纺织纤维是纺织材料发展方向之一 2。本文研究了含铜海丝纤维的结
4、构和释放铜离子的性能。 2.1 海丝纤维的结构 海丝纤维的生产采用 NMMO 为溶剂的 Lyocell3。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。图 1 显示了在显微镜下观察到的海丝纤
5、维的截面结构。可以看出 ,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 ,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。 图 1 显示了海丝纤维的生产流程 图 图 1 海丝纤维的生产流程图 2.2 含铜海丝纤维的性能 海丝纤维结合了纤维素纤维和海藻植物的性能，具有护肤、保健、抗菌等效果，是一种具有生物活性的纤维素纤维 4。从技术条件看，利用海丝纤维吸附金属离子的性能，用铜和锌等金属离子进行活化来生产海丝活性纤维，其工艺简单，无健康危害。在制备海丝纤维的过程中加入海藻成分后，海藻中的高效物质几乎全部保存并储存在海丝纤维
6、中。海藻含有丰富的矿物质、蛋白质和维生素，这些物质在湿环境中可以释放出来。而吸附了铜和锌离子的海丝纤维具有比普 通海丝纤维更优良的性能。 图 2.溶液中铜离子初始质量浓度对吸附效果的影响 在使用过程中，当人的皮肤出汗使人体表面具有一个湿的环境时，海丝纤维中包含的矿物质、蛋白质、维生素和胡萝卜素等活性物质，以及铜和锌离子可以从纤维中释放出来，起到抗菌以及促进血液循环并激活纤维素交换的功能，从而使皮肤绷，紧并保持其光滑细腻。 2.3 微量元素与人体健康 微量元素是机体内环境重要组成部分 , 它本身以及与其它因素的平衡或失调影响着机体生理病理的变化 2.31 微量元素与衰老 鉴于异常自由基反应及其与
7、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。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
8、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。 Heckt 等研究脑内微量元素分布时发现 , 新生儿脑内的铷含量最高 , 随年龄
9、增长 , 大脑皮层及基底神经节中的含铷量逐渐降低 ; 70 岁以上的老年人脑内含铷量仅及新生儿的 50%。这一现象显示 , 人类大脑活动能力 (思维能力 ) 的减退和衰老 , 可能同脑内含铷量随年龄增长而递减有关 5。 2.32 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 , 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、
10、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。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 : 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
11、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。必需微量元素锰 : 人体锰缺乏时可
12、引发各种类型的皮肤病患 , 临床上有许多皮肤病病人在其他必需微量元素不正常而锰缺乏时 , 病患总是治不好 , 及时采用补充锰制剂后病情就能明显好转或治愈。 7 2.33 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
13、子很容易为人所吸收 6。海丝纤维采用纤维素工艺共同开发研制而成， 其成分主要是纤维素和海藻。 8 海藻酸钠做吸附剂去除水相中的 Cu2 + ,研究了吸附时间、海藻酸钠用量、溶液中铜离子质量浓度、 pH 溶液值和吸附温度与吸附效果之间的关系 9。一方面海藻酸钠的不饱和离子与铜离子发生离子交换反应 ;另一方面海藻酸钠微粒表面的羧基、羟基等与铜离子发生螯合作用 10 海藻酸纤维、海藻酸钙纤维及海藻酸钙钠纤维对水溶液中的铜离子均有较好的吸附性能。由于海藻酸钙钠纤维含有水溶性的海藻酸钠，在水中能迅速吸水膨胀，因此对铜离子的初始吸附速度比其它两种纤维快 11 国外一些科学家在研究中发现 : 铜元素在组织癌
14、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 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 12。 海纤维生产的仿麂皮绒是一种柔软而富有弹性，透气性、保暖性、抗皱性等各项性能优良 的仿真皮面料。这
15、种面料质轻透气、抗菌防霉、舒适典雅，可广泛用于制作男女上衣、风衣、马夹、女裙等，还可用来制作各类箱包、鞋以及高档装饰用布，如果经过染色、印花、贴膜、压花等多种形式的整理，还可制成千姿百态的时尚产品。但麂皮风格是海岛纤维产品最主要的潮流风格，也限制了其在服用领域主要用于冬季服装上，在面料市场上的空间较窄。因此，海岛复合纤维的开发必须将纺丝技术与织造、染整及服装结合起来，形成上下游一条龙，提高整体开发能力，惟此，海岛纤维产品才能具有生命力。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法、技术路线及研究难 点，预期达到的目标 3.1 课题研究的内容及拟采 取 的 研究 方法 海丝纤维在各水溶液中释放铜离子的
16、性能测试 1.海丝纤维在生理盐水溶液中释放铜离子的性能测试 （ 1）配置生理盐水：称取 9.00g NaCl，加入 100mL 的烧杯中，加入去离子水溶解后移入 1L 容量瓶中定容，混合均匀后倒入 1000mL 试剂瓶中； （ 2）称取含铜海丝活性纤维 1.00 g； （ 3）将称好的纤维分别放入配好的生理盐水中，开始搅拌； （ 4）从开始搅拌时计时，分别在 30min、 1hr、 3hrs、 8hrs、 24hrs 时取出25mL 溶液，用滤纸过 滤后在原子发射光谱仪上测定溶液中铜离子浓度 2. 海丝纤维在含蛋白质的水溶液中释放铜离子的性能测试 （ 1）配置五种含不同浓度蛋白质的水溶液：称取
17、大豆蛋白质 1、 2、 3、 5、 10克，加入去离子水溶解后移入 1L 容量瓶中定容，得到蛋白质浓度为 0.1%、 0.2%、0.3%、 0.5%、 1%的水溶液，混合均匀后倒入 1000mL 试剂瓶中； （ 2）分别称取含铜海丝活性纤维 1.00 g； （ 3）将称好的纤维分别放入配好的生理盐水中，开始搅拌； （ 4）从开始搅拌时计时，在 2hr 后取出 50mL 溶液，用滤纸过滤后在原子发射光谱仪上测 定溶液中铜离子浓度。 3. 温度对海丝纤维释放铜离子性能的影响 ( 1 ) 配置含蛋白质的生理盐水：称取 9.00g NaCl 及 1.0 克大豆蛋白质，加入 100mL 的烧杯中，加入去
18、离子水溶解后移入 1L 容量瓶中定容，混合均匀后倒入 1000mL 试剂瓶中； （ 2）将溶液在 30、 40、 50、 60、 80oC 下衡温水浴中衡温； （ 3）称取含铜海丝活性纤维 1.00 g； （ 4）将称好的纤维分别放入配好的生理盐水中，开始搅拌； （ 5）从开始搅拌时计时，在 2hr 后取出 50mL 溶液，用滤纸过滤后在原子发射光谱仪上测定溶液中铜离子浓 度。 3.2 难点 溶液浓度和环境对海丝纤维释放铜离子都有影响，海丝纤维释放铜离子又比较微量，容易引起误差 3.3 预期达到的目标 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，
19、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。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 四、论文详细工作进度和安排 2010.11.1-2010.11.22 查阅文献 2010.11.23-2011.1.10 英文翻译、文献综述和开题报告 2011.1.11-2011.1.16 准备实验药品与仪器 2011.2.21-2011.3.31 有机硅改性酚醛树脂的制备及其结构表征 2011.4.1-2011.4.17 有机硅改性酚醛树脂的性能测试 2011.4.18-2011.5.11 实验数据整理与归纳；毕业论文的
20、撰写 2011.5.12-2011.5.22 准备答辩 五、主要参考文献 1秦益民 . 海丝纤维的生产方法 J. 纺织学报 ,2007,28(10): 122-123 2 李辉芹 . 生物活性纤维 海丝系列纤维 J .毛纺科技， 2005，（ 4）：49-51 3秦益民 . 海丝纤维的结构和性能 J.纺织学报 ,2007,28(11): 136-138 4 戴信飞 .生物活性纤维素纤维 J.国外纺织技术， 2003， 7： 3-6 5 张羽萍 . 微量元素与人体健康 J . 江西化工， 2005，（ 1）： 73-74 6 陈晓玲 . 铜与衰老 J . 微量元素与健康研究 ,2005， 22（
21、 1）： 15 7 颜卿 . 必需微量元素与皮肤病 J . 广东微量元素科学 ， 2008， 15（ 10）： 8 新型海丝纤维 中国丝绸资讯 2003 年第 18 期 9 朱一民 ,沈岩柏 ,魏德洲 . 海藻酸钠吸附铜离子的研究 J . 东北大学学报， 2003， 24（ 6）： 589-592 10 莫岚，陈洁，宋静，等 . 海藻酸纤维对铜离子的吸附性能 J .合成纤维， 2009， 38（ 2）： 34-36 11 秦益民，陈洁，宋静，等 . 改性海带对铜离子的吸附性能 J. 环境科学与技术 , 2009,32(5): 147-149 12 秦益民 ,刘洪武，李可昌，等 . 海藻酸 M.北京 ：中国轻工业出版社，2008
