壳聚糖的改性及在透析纸中的应用研究

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医用透析纸作为医疗器械灭菌包装的主要材料,需求量日益增加。目前透析纸生产过程中需添加阳离子聚丙烯酰胺树脂(CPAM)和聚酰胺环氧氯丙烷树脂(PAE)等高分子助剂以提高纸张物理强度,然而PAE水解会产生含氯有机物而对人体和环境造成危害。壳聚糖作为绿色环保的材料,不含对人体有害的氯化物,相比CPAM具有生物降解性和生物相容性等优势,其分子上的羟基和氨基与纤维结合形成离子键和氢键,能提高纸张干、湿强度等各方面性能,有成为无氯型增强剂的天然优势。然而,壳聚糖不溶于水、碱及一般有机溶剂,只溶于稀酸中,限制了其应用,因此需要对壳聚糖进行改性,改善其水溶性,使其适用于高性能医用透析纸。本文研究针对壳聚糖分子结构中的活性基团,通过酰化反应和羧甲基化反应对壳聚糖进行改性,高效制备了水溶性的马来酸酐酰化壳聚糖和羧甲基壳聚糖。然后以浆内和表面施胶添加方式制备高性能的医用透析纸,研究了改性壳聚糖对透析纸物理强度、透气度和抗菌性的增强效果和影响。研究内容如下:(1)壳聚糖的改性及其性能研究。以马来酸酐(MA)为改性剂,TEMPO为氧化剂制备水溶性马来酸酐酰化壳聚糖(MAAC),研究了制备条件对MAAC取代度及溶解度的影响。结果表明,当原料质量比m(CS):m(MA):m(TEMPO)=1:1:0.08,反应时间为4 h时,取代度和溶解性较好,在中、碱性溶液中透光率大于80%。以氯乙酸为改性剂在碱性条件下成功制备了三种不同取代位点的羧甲基壳聚糖(CMCS),分析了CMCS的取代度和溶解度,结果表明,N,O-CMCS的取代度最大、溶解度最高,且溶解性O-CMCS不受p H值的影响,透光率均大于90%,而N-CMCS和N,O-CMCS只能在中、碱性溶液中溶解。(2)改性壳聚糖的浆内添加及其对纸张性能的影响。将MAAC和CMCS通过浆内添加的方式用于透析纸的制备,研究改性壳聚糖用量对纸张物理强度、透气度和抗菌性的影响。结果表明,当MAAC用量为2.0%时纸张的综合性能较好,透析纸的干、湿抗张、撕裂和耐破指数分别比未添加时提高了10.0%、96.6%、30.2%和42.9%,纸张透气度达到8.98μm·(Pa·s)-1,对大肠杆菌的抑菌率达到91.6%;三种CMCS均能提高纸张的干、湿抗张强度、耐破强度,其中O-CMCS用量为2.5%时纸张综合性能最佳,纸张的干、湿抗张、耐破指数分别提高了18.8%、113%、91.0%,透气度达到7.98μm·(Pa·s)-1,对大肠杆菌的抑菌率达到86.7%,纸张具有较好的抗菌性。(3)改性壳聚糖的表面施胶及其对纸张性能的影响。将MAAC和O-CMCS分别与PVA复配用于纸张表面施胶,结果表明,当施胶量为6.5 g/m~2时,MAAC/PVA施胶的纸张干、湿抗张和耐破强度比纯PVA施胶的纸张分别提高了41.4%、53.6%和107%,而O-CMCS/PVA施胶的纸张干、湿抗张和耐破强度比纯PVA施胶的纸张分别提高了46.5%、82.2%和107%;MAAC/PVA和O-CMCS/PVA表面施胶的纸张抑菌率分别达到94.8%和92.9%;但表面施胶剧烈降低了纸张的透气度。通过对纸张表面SEM分析,发现随着施胶量的增大纸张表面逐渐成膜、空隙变少,这是造成透气度剧烈降低的主要原因。总体来说,马来酸酐酰化改性和羧甲基化改性壳聚糖提高了壳聚糖在水中的溶解度,浆内添加和表面施胶MAAC和O-CMCS都能提高透析纸的物理强度和抗菌性,改性壳聚糖可作为增强剂和抗菌剂应用于医疗透析纸的生产。
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