医用脱脂棉纱布的氧化改性处理及其性能研究

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1. 东华大学纺织学院， 上海 201620；2. 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620

随着经济的发展及人口老龄化进程的加速，我国对医用材料的需求量越来越大[1]。医用敷料是医用材料的重要组成部分。在医用敷料中，传统的医用脱脂棉纱布凭借其价格低廉、来源广泛、加工简单等优点，得到了广泛应用[2]。然而，目前使用的医用脱脂棉纱布因其吸液性能有限[3]，不能有效吸收创面的渗液，造成伤口愈合较慢；此外，医用脱脂棉纱布在使用过程中需要频繁更换，这增加了医务人员的工作量。为提高医用脱脂棉纱布的吸液性能，目前主要采用接枝[4]、醚化、氧化[5]等化学改性方法。接枝法中，反应难以有效控制，且副反应较多，制备成本较高[6]。采用醚化法处理医用脱脂棉纱布时，盐分等反应副产物较多，造成制备成本较高；此外，医用脱脂棉纱布通过羟基与水分子间的氢键作用吸收液体，仅起到对液体的物理吸附作用[7]。采用氧化法处理医用脱脂棉纱布，其操作简便，并在纤维素大分子链上引入羧基，得到的氧化医用棉纱布具有氢键结合水分子的物理吸附作用，而且在血液中，羧基与血浆中的Ca2+或Fe2+发生电荷吸附[8]，氧化医用棉纱布可起到化学止血的作用。因此，本文采用氧化法处理医用脱脂棉纱布。在氧化体系中，过氧化氢作为一种廉价、有效、反应条件温和的氧化剂，已被用于淀粉、纸浆等的氧化处理中。但是，过氧化氢的稳定性较差，易分解，这会影响氧化效果[9]。过碳酸钠俗称固体双氧水，较过氧化氢稳定、可控。刘国亮[10]、Nakashima[11]等利用过碳酸钠去除木质素时，发现过碳酸钠可有效氧化纤维素且对纤维的损伤程度较低。但目前尚未发现利用过碳酸钠改善医用脱脂棉纱布吸液性能的相关研究。本文以过碳酸钠为氧化剂，探究过碳酸钠溶液浓度、处理温度和时间、过碳酸钠溶液pH值对氧化医用棉纱布吸液性能和力学性能的影响。

1 试验

1.1 主要试验材料与试剂

(1) 试验材料：医用脱脂棉纱布(曹县华鲁卫生材料有限公司)，其组织为平纹，经纬纱线密度均为27.8 tex，经纬密分别为107、 106根/(10 cm)，主要性能指标见表1。

表1 医用脱脂棉纱布主要性能指标

(2) 试剂：过碳酸钠(分析纯，上海麦克林生化科技有限公司)；氢氧化钠(分析纯，平湖化工试剂厂)；硅酸钠(分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司)。

1.2 主要仪器设备

DK-S16数显恒温水浴锅(上海博讯有限公司)，FA2004A电子天平(上海精天电子仪器有限公司)，Y802A电热鼓风干燥箱(南通宏大实验仪器有限公司)，YG026H-II电子织物强力机(温州方圆仪器有限公司)，JSE-5600LV扫描电子显微镜(日本电子株式会社)。

1.3 氧化改性处理

本文采用氧化法对医用脱脂棉纱布进行改性处理，其工艺过程：医用脱脂棉纱布→氧化→中和、洗涤、烘干→氧化医用棉纱布。具体操作步骤：

(1) 将医用脱脂棉纱布裁剪为25 cm×30 cm的小块试样，烘干至恒定质量。

(2) 分别配置100 mL不同质量浓度的过碳酸钠溶液，加入2%(质量分数，相对于过碳酸钠质量)的硅酸钠作为稳定剂，再利用氢氧化钠将过碳酸钠溶液pH值调至氧化所需值，并在水浴中加热至处理温度。

(3) 将烘干后的试样放入过碳酸钠溶液中，经过不同时间的氧化处理，取出试样，并用体积分数为6%的盐酸溶液中和至中性，充分洗涤、烘干，得到氧化医用棉纱布。

(4) 将氧化医用棉纱布放置在温度20 ℃、相对湿度 65%的环境下平衡48 h，待用。

1.4 吸液性能测试

参照国际上常用的测试创面用敷料吸湿性的方法[12]，采用吸湿称量法进行吸液性能测试，具体操作步骤：首先，裁剪出5 cm×5 cm的试样，准确称出其干燥质量；接着，将试样放入100 mL去离子水中吸液，30 min后取出，自然、平展地垂直悬挂30 s后立刻称出其质量。计算试样的吸液率：

(1)

式中：Q——试样的吸液率，g/g；

W0——试样干燥质量，g；

W1——试样吸液后的质量，g。

1.5 力学性能测试

参照行业标准YY 0331—2006《脱脂棉纱布、脱脂棉黏胶混纺纱布的性能要求和试验方法》[13]，利用电子织物强力仪进行力学性能测试，试样经、纬向分别试验，试样宽度50 mm，夹持距离200 mm，拉伸速度100 mm/min。

1.6 表面形貌观察

对试样表面做喷金处理，然后置于JSE-5600LV扫描电子显微镜下，分别放大40、2 000倍观察其表面形貌，扫描电压10 kV。

2 结果与讨论

2.1 过碳酸钠溶液质量浓度对改性效果的影响

在处理温度为70 ℃、处理时间为1.5 h和过碳酸钠溶液pH值为7的条件下，过碳酸钠溶液质量浓度分别选取0.05、 0.10、 0.15、 0.20、 0.25、 0.30 g/L，对医用脱脂棉纱布进行氧化改性处理，得到的氧化医用棉纱布的吸液率、断裂强力和断裂伸长率分别如图1、图2和图3所示。

图1 不同过碳酸钠溶液质量浓度下氧化医用棉纱布的吸液率

图2 不同过碳酸钠溶液质量浓度下氧化医用棉纱布的断裂强力

图3 不同过碳酸钠溶液质量浓度下氧化医用棉纱布的断裂伸长率

由图1可知，随着过碳酸钠溶液质量浓度的增加，氧化医用棉纱布的吸液率先增大后减小。当过碳酸钠溶液质量浓度低于0.10 g/L时，过碳酸钠溶液浓度增加，其氧化性增强，使得棉纤维上较多的羟基被氧化成羧基，因此氧化医用棉纱布的吸液性能提高。当过碳酸钠溶液质量浓度高于0.10 g/L时，虽然过碳酸钠溶液中氧化剂分子数量增多，但是棉纤维上可供反应的基团减少，反应难度增大，生成的羧基不再增加。同时，随着过碳酸钠溶液质量浓度的进一步增加，医用脱脂棉纱布开始发生降解，毛细纤维减少，毛细芯吸效应变差，造成氧化医用棉纱布的吸液率下降。

由图2和图3可知，随着过碳酸钠溶液质量浓度增加，氧化医用棉纱布的经、纬向断裂强力、断裂伸长率都呈先上升后下降的趋势，断裂强力和断裂伸长率的峰值分别出现在过碳酸钠溶液质量浓度为0.15、 0.20 g/L时。在氧化过程中，过碳酸钠溶液质量浓度增加，则氧化反应加剧，医用脱脂棉纱布不断收缩，因此氧化医用棉纱布的断裂强力、断裂伸长率增大；当过碳酸钠溶液质量浓度继续升高时，医用脱脂棉纱布的收缩变化趋缓，纤维内部的氢键打开程度逐渐增大，这成为影响氧化医用棉纱布断裂强力和断裂伸长率的主要因素，因此氧化医用棉纱布的断裂强力和断裂伸长率减小。

综合考虑氧化医用棉纱布的吸液率、断裂强力和断裂伸长率等指标，在处理温度为70 ℃、处理时间为1.5 h和过碳酸钠溶液pH值为7的条件下，过碳酸钠溶液质量浓度为0.10 g/L时改性效果较佳。此时，氧化医用棉纱布的吸液率为5.75 g/g，比处理前增加了34%；氧化医用棉纱布的经、纬向断裂强力分别为105.0、 89.0 N，经、纬向断裂伸长率分别为7.70%、 16.50%。参照行业标准YY 0331—2006，经纬纱线密度均为27.8 tex，经纬密分别为107、 106根/(10 cm)的医用脱脂棉纱布，其经、纬向需达到的断裂强力分别为80.0、 60.0 N。由此可知，本试验得到的氧化医用棉纱布的断裂强力符合标准要求。

2.2 处理温度对改性效果的影响

在过碳酸钠溶液质量浓度为0.15 g/L、处理时间为1.5 h和过碳酸钠溶液pH值为7的条件下，处理温度分别选取30、 40、 50、 60、 70、 80、 90 ℃，对医用脱脂棉纱布进行氧化改性处理，得到的氧化医用棉纱布的吸液率、断裂强力和断裂伸长率分别如图4、图5和图6所示。

图4 不同处理温度下氧化医用棉纱布的吸液率

图5 不同处理温度下氧化医用棉纱布的断裂强力

图6 不同处理温度下氧化医用棉纱布的断裂伸长率

由图4可知，随着处理温度的升高，氧化医用棉纱布的吸液率呈现先增大后减小的趋势，其最高值出现在处理温度为40 ℃时。当处理温度低于40 ℃时，随着处理温度升高，过氧氢根离子等活性氧成分的数量增多，氧化生成的羧基含量增加，因此氧化医用棉纱布的吸液性能得到改善。当处理温度超过40 ℃后，由过碳酸钠分解产生的过氧化氢和碳酸钠数量虽然增多，但是过碳酸钠溶液pH值升高，一部分过氧氢根离子会与过碳酸钠溶液中的氢氧根离子结合，使得氧化生成的羧基数量减少，并且处理温度升高增大了对医用脱脂棉纱布的损伤程度，医用脱脂棉纱布自身的毛细芯吸效应变差，因此氧化医用棉纱布的吸液率降低。

由图5和图6可知，随着处理温度升高，氧化医用棉纱布的经、纬向断裂强力和断裂伸长率均呈现先增大后减小的趋势，断裂强力和断裂伸长率的峰值分别出现在处理温度为40、 50 ℃时。在氧化过程中，在处理温度较低的条件下，处理温度升高，过碳酸钠分解加快，过氧氢根离子浓度升高，氧化反应加剧，医用脱脂棉纱布收缩，因此氧化医用棉纱布的断裂强力和断裂伸长率增大；当处理温度继续升高时，副反应增加，部分过氧氢根离子直接攻击医用脱脂棉纱布的纤维素碳链，导致纤维素降解，因此氧化医用棉纱布的断裂强力和断裂伸长率减小。

综合考虑氧化医用棉纱布的吸液率、断裂强力和断裂伸长率等指标，在过碳酸钠溶液质量浓度为0.15 g/L、处理时间为1.5 h和过碳酸钠溶液pH值为7的条件下，处理温度为40 ℃时改性效果较佳。此时，氧化医用棉纱布的吸液率达到6.22 g/g，比处理前增加了45%；氧化医用棉纱布的经、纬向断裂强力分别为122.0、 104.0 N，经、纬向断裂伸长率分别为9.00%、 19.40%。因此，本试验得到的氧化医用棉纱布的断裂强力符合标准要求。

2.3 处理时间对改性效果的影响

在过碳酸钠溶液质量浓度为 0.15 g/L、处理温度为70 ℃和过碳酸钠溶液pH值为7的条件下，处理时间分别选取0.5、1.0、1.5、2.5、3.5 h，对医用脱脂棉纱布进行氧化改性处理，得到的氧化医用棉纱布的吸液率、断裂强力和断裂伸长率分别如图7、图8和图9所示。

由图7可知，随着处理时间的增加，氧化医用棉纱布的吸液性能呈现先提高后下降的趋势。在处理时间1.5 h之前，氧化医用棉纱布的吸液率随着处理时间延长，其增幅较大；在处理时间1.5 h之后，氧化医用棉纱布的吸液率随着处理时间增加而略降低。在处理时间1.5 h内，随着处理时间的延长，过氧氢根离子可以充分作用于纤维，使得羧基的数量逐渐增加，因此氧化医用棉纱布的吸液率提高。在过碳酸钠溶液质量浓度固定的情况下，处理时间达到1.5 h后，过碳酸钠溶液中的过氧氢根离子数量减少，继续延长处理时间，纤维素上的羧基数量也不再增加，毛细纤维减少，毛细芯吸效应变差，因此氧化医用棉纱布的吸液率降低。

图7 不同处理时间下氧化医用棉纱布的吸液率

图8 不同处理时间下氧化医用棉纱布的断裂强力

图9 不同处理时间下氧化医用棉纱布的断裂伸长率

由图8和图9可知，随着处理时间的延长，氧化医用棉纱布的断裂强力、断裂伸长率呈现先增大后减小的趋势，其峰值均出现在处理时间1.5 h时。当处理时间未达到1.5 h时，处理时间延长，则过氧氢根离子可以充分氧化纤维素，医用脱脂棉纱布收缩，因此氧化医用棉纱布的断裂强力和断裂伸长率都有所上升；处理时间达到1.5 h后，医用脱脂棉纱布的纤维素分子间和分子内的氢键被破坏，造成氧化医用棉纱布的断裂强力和断裂伸长率降低。

综合考虑氧化医用棉纱布的吸液率、断裂强力和断裂伸长率等指标，在过碳酸钠溶液质量浓度为0.15 g/L、处理温度为70 ℃和过碳酸钠溶液pH值为7的条件下，处理时间选择1.5 h较佳。此时，氧化医用棉纱布的吸液率达到5.45 g/g，比处理前的医用脱脂棉纱布的吸液率提高了27%；氧化医用棉纱布的经、纬向断裂强力分别为109.0、 91.0 N，经、纬向断裂伸长率分别为8.40%、 18.20%。因此，本试验得到的氧化医用棉纱布的断裂强力符合标准要求。

2.4 过碳酸钠溶液pH值对改性效果的影响

在过碳酸钠溶液质量浓度为0.15 g/L、处理温度为70 ℃和处理时间为1.5 h的条件下，过碳酸钠溶液pH值分别选取7、 9、 11、 13，对医用脱脂棉纱布进行氧化改性处理，得到的氧化医用棉纱布的吸液率、断裂强力和断裂伸长率分别如图10、图11和图12所示。

图10 不同过碳酸钠溶液pH值下氧化医用棉纱布的吸液率

图11 不同过碳酸钠溶液pH值下氧化医用棉纱布的断裂强力

图12 不同过碳酸钠溶液pH值下氧化医用棉纱布的断裂伸长率

由图10可知，随着过碳酸钠溶液pH值的增大，氧化医用棉纱布的吸液率呈先增大后减小的趋势。当过碳酸钠溶液pH值在7～9范围内时，随着过碳酸钠溶液pH值增加，过碳酸钠的分解速度加快，过氧氢根离子浓度增大，能有效地氧化纤维素上的羟基而生成羧基，因此氧化医用棉纱布的吸液性能提高；当过碳酸钠溶液pH值大于9时，过氧氢根离子不稳定，它们会和过碳酸钠溶液中的氢氧根离子反应或自行分解，其与纤维素发生氧化反应生成的羧基数量减少，因此氧化医用棉纱布的吸液率下降。

由图11和图12可知，随着过碳酸钠溶液pH值的增大，氧化医用棉纱布的经、纬向断裂强力逐渐减小，经、纬向断裂伸长率则呈先增大后减小的趋势。当过碳酸钠溶液pH值在7～9范围内时，随着过碳酸钠溶液pH值增大，氧化医用棉纱布的断裂强力减小，断裂伸长率小幅提高。在碱性条件下，医用脱脂棉纱布上的纤维发生溶胀，分子间作用力变小，因此氧化医用棉纱布的断裂强力降低，而在拉伸过程中，分子链更容易发生滑移，所以其断裂伸长率有小幅提高。当过碳酸钠溶液pH值大于9时，随着过碳酸钠溶液pH值增大，医用脱脂棉纱布的纤维素分子间的氢键被破坏，因此氧化医用棉纱布的经向断裂强力下降较严重，从101.0 N下降至83.0 N，而其纬向断裂强力变化较小，经、纬向断裂伸长率均稍下降。

综合考虑氧化医用棉纱布的吸液率、断裂强力和断裂伸长率等指标，过碳酸钠溶液pH值为9时，改性效果较佳。此时，氧化改性棉医用纱布的吸液率为5.81 g/g，比改性前增加了35%；经、纬向断裂强力分别为101.0、 81.0 N，经、纬向断裂伸长率分别为8.80%、 20.40%，氧化改性棉医用纱布的强力符合标准要求。

2.5 表面形貌分析

图13～图16为医用脱脂棉纱布和氧化医用棉纱布的扫描电镜照片，其中后者在过碳酸钠溶液质量浓度为0.15 g/L、处理温度为70 ℃、处理时间为1.5 h、过碳酸钠溶液pH值为7的条件下制得。

图13 医用脱脂棉纱布扫锚电镜照片(放大40倍)

图14 氧化医用棉纱布扫锚电镜照片(放大40倍)

图15 医用脱脂棉纱布扫锚电镜照片(放大2 000倍)

由图13～图16可知，放大40倍进行观察，可以看到医用脱脂棉纱布的毛细纤维较多，纤维排列杂乱无章；氧化医用棉纱布的毛细纤维较少，其空隙较大，纱线排列较整齐。放大2 000倍进行观察，可以看到氧化医用棉纱布的棉纤维直径较医用脱脂棉纱布的棉纤维直径大，这可能是由于改性处理过程中氧化生成的羧基的空间位阻较大，其降低了纤维分子间的作用力，纤维出现润胀现象；另外，氧化医用棉纱布的纤维表面出现碎片剥离现象，这表明纤维受到损伤。因此，需控制氧化改性工艺，以降低纤维损伤。

3 结论

(1) 利用过碳酸钠对医用脱脂棉纱布进行氧化改性处理，能较好地提高医用脱脂棉纱布的吸液性能。在其他参数一定的条件下，随着过碳酸钠溶液质量浓度的增加或处理温度的升高或处理时间的延长，氧化医用棉纱布的吸液率、断裂强力、断裂伸长率均呈现先增加后减小的趋势；随着过碳酸钠溶液pH值的增大，氧化医用棉纱布的吸液率、断裂伸长率呈现先增加后减小的趋势，其断裂强力不断减小。

(2) 过碳酸钠氧化处理医用脱脂棉纱布的较佳工艺条件：过碳酸钠溶液质量浓度0.10 g/L，处理温度40 ℃，处理时间1.5 h，过碳酸钠溶液pH值9。

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