CN105020989B - 一种甲壳素纤维或壳聚糖纤维的真空冷冻干燥方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种甲壳素纤维或壳聚糖纤维的真空冷冻干燥方法，其包括以下步骤：预冷冻步骤：冷冻温度≤‑20℃，冷冻时间≥1h，使甲壳素纤维或壳聚糖纤维所含水分全部凝结成固态；冷冻干燥步骤：在真空冷冻干燥机中进行，冷阱温度为‑50～‑85℃，真空度为1～70pa，冷冻干燥时间2‑8h，直至甲壳素纤维或壳聚糖纤维的含水率为0‑14.82％，即得。本发明相对于现有技术，具有工艺简单、易控，生产过程安全高效、质量优良且稳定可靠，且处理成本相对低廉；以及生产工艺绿色环保等技术特点和有益效果。

Description

一种甲壳素纤维或壳聚糖纤维的真空冷冻干燥方法

技术领域

本发明涉及一种甲壳素纤维或壳聚糖纤维的干燥处理方法，尤其涉及一种甲壳素纤维或壳聚糖纤维的真空冷冻干燥方法。

背景技术

纺织材料的含水率和吸湿性能是影响纺织品生产加工工艺，以及最终所得成品服用性能的十分重要的性能指标。

地球上存在的天然有机化合物中，数量最大的是纤维素，其次就是甲壳素，前者主要由植物生成，后者主要由动物生成。甲壳质存在于自然界中的低等植物菌类、藻类的细胞，甲壳动物虾、蟹、昆虫的外壳，高等植物的细胞壁等。

从蟹、虾壳中应用遗传基因工程提取的动物性高分子纤维素甲壳素是地球上存量极为丰富的一种自然资源。甲壳素纤维或壳聚糖纤维具有较好的可纺性，具有优异的生物医学特性，可降解及优良的吸湿保温功能。

纺织材料的吸湿性对纺织品生产加工过程和产品的服用性能都有重要影响，壳聚糖是甲壳素脱去乙酰基所得到的高分子化合物。

甲壳素的分子结构与纤维素相似，所不同的是每一个葡萄糖残基上第二位碳原子连接的羟基变成了更活泼的氨基，氨基具有很强的吸水性，而纤维中的水分对其力学性能有很重要的影响，从而影响纤维的各种加工性能以及产品质量。

在实际加工中，甲壳素纤维或壳聚糖纤维一般采用湿法纺丝方法制备，由于甲壳素纤维或壳聚糖纤维的应用场合不同，所需要的甲壳素纤维或壳聚糖纤维的含水率也不同，因此，应用前需要对甲壳素纤维或壳聚糖纤维进行干燥处理。

不同的干燥方法对甲壳素纤维或壳聚糖纤维的性能会造成不同的影响，干燥的好坏将直接影响产品的使用性能。

现有技术中，甲壳素纤维或壳聚糖纤维的干燥处理一般采用热风干燥、微波干燥或者自然晾晒自然风干干燥等方法进行。其中，热风干燥法干燥时间长，耗能大，且干燥后甲壳素纤维或壳聚糖纤维易分解，出现结构变化，后者出现表面缩水硬化等现象；微波干燥法能耗大，易使甲壳素纤维或壳聚糖纤维加热过度而分解；而自然晾晒自然风干干燥耗时费力，场地占用大，既不经济，也不现实，仅适于科研或实验室等数量相对较小的纤维干燥处理，不宜用于工业化、规模化的生产中。

现有技术中，人们为解决上述热风干燥或微波干燥过程中，所易于出现的高温分解、表面缩水硬化等问题，常常采用有机分散溶剂(乙醇、丙酮等)对甲壳素纤维或壳聚糖纤维处理，然后再脱除溶剂、烘干。但是，随之而来的问题是，所采用的有机溶剂一般均易于挥发，易燃易爆，且毒性较强，使用时需使用通风设备加强密闭和通风，减少有机溶剂的逸散和蒸发。这将进一步导致，生产设备投资的加大、生产成本的上升以及无法避免或多或少的环境污染等系列问题的出现。

发明内容

本发明目的是，提供一种工艺简单、易控，生产过程安全高效、质量优良且稳定可靠，且处理成本相对低廉的一种甲壳素纤维或壳聚糖纤维干燥处理方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种甲壳素纤维或壳聚糖纤维的真空冷冻干燥方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，预冷冻步骤：

冷冻温度≤-20℃，冷冻时间≥1h，使甲壳素纤维或壳聚糖纤维所含水分全部凝结成固态；

第二步，冷冻干燥步骤：

在真空冷冻干燥机中进行，冷阱温度为-50～-85℃，真空度为1～70pa，冷冻干燥时间2-8h，直至甲壳素纤维或壳聚糖纤维的含水率为0-12.95％，即得。

上述技术方案直接带来的技术效果是，工艺流程短、工艺参数易于控制，生产工艺绿色环保安全，且产品质量稳定。

上述技术方案中，甲壳素纤维或壳聚糖纤维先经预冷冻，其所含水分全部凝结为固态；在随后的真空冷冻干燥过程中，“在真空冷冻干燥机中进行，冷阱温度为-50～-85℃，真空度为1～70pa，冷冻干燥2-8h”的工艺条件下，上述“固态水”将不经液态，而直接转化成气态水/水汽，并被真空抽吸排出(即，固态水将升华，并被抽吸排出)。在这一水的升华过程中，水分源源不断地从纤维表层及内部以气态形式穿过(并排出)，一方面，使得纤维的干燥十分均匀、干燥质量稳定性好；

另一方面，整个工艺过程均在低温下进行，甲壳素纤维或壳聚糖纤维不会出现分解、缩水硬化等现象，因而，充分保留了甲壳素纤维或壳聚糖纤维的本质特性；

更为重要的是，上述水的升华过程中，源源不断的气体(气态水)从纤维内部/内层向外层流出，直至纤维干燥完成。这一过程，将使得经过真空冷冻干燥处理后的甲壳素纤维或壳聚糖纤维，更加蓬松、相对密度更小。因而，经过真空冷冻干燥所得的甲壳素纤维或壳聚糖纤维，必将具有现有技术的诸如加热干燥、自然干燥等技术手段干燥所得的甲壳素纤维或壳聚糖纤维所无法比拟的蓬松度、干燥程度的均一性、一致性和稳定性等系列质量指标。

实际的对比检测结果也证明了这一点：按本发明的真空冷冻干燥方法处理之后的甲壳素纤维或壳聚糖纤维，完全保持了甲壳素纤维或壳聚糖纤维本身所具有的一切良好性能指标和化学结构特征；在蓬松度方面，对比检测结果表明，其相对体积，比自然晾干和烘干所获得的(干)甲壳素纤维或壳聚糖纤维，增加幅度为2倍以上；由于蓬松度大幅增加，其具有更加优越的柔软度和舒适的手感。

优选为，上述的甲壳素纤维或壳聚糖纤维的真空冷冻干燥方法，其冷冻干燥所得甲壳素纤维或壳聚糖纤维的含水率为2.08-12.95％。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，将真空冷冻干燥后的甲壳素纤维或壳聚糖纤维的含水率控制为2.08-12.95％，其目的是，以使甲壳素纤维或壳聚糖纤维回潮率在2.12％-14.88％之间，其后续加工过程的适用范围更广，更有利于其后续的加工处理过程中的应用。

进一步优选，上述的甲壳素纤维或壳聚糖纤维的真空冷冻干燥方法，其冷冻干燥所得甲壳素纤维或壳聚糖纤维的相对密度为0.39±0.03g/cm³。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，将真空冷冻干燥后的甲壳素纤维或壳聚糖纤维的相对密度控制为0.39±0.03g/cm³，可以保证其更加良好的蓬松度、柔软舒适的手感，更有利于其后续的加工处理。

需要说明的是，现有技术的自然晾晒、热风干燥等方法，干燥之后的甲壳素纤维或壳聚糖纤维的相对密度为1.32g/cm³左右。也就是说，计算相同质量下的体积方面，上述技术方案所获得的干纤维，其为现有技术所获得的干纤维3倍以上。

进一步优选，上述冷冻干燥时间为2-6h。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，我们的经验表明，在上述条件下的真空冷冻干燥过程中，冷冻干燥时间为1-2h这一时间段，水分蒸发快速、纤维的含水率快速降低；在2-6h这一时间段，纤维含水量呈现相对均匀稳定的降低速率；在6h之后，纤维已经完全可以达到所需干燥效果，而且，纤维中的含水量几乎不会出现明显的下降。继续延长时间，其投入(电耗)与产出(进一步得到干燥)之间的正面效果非常小。即，我们认为，冷冻干燥时间优选为2-6h，其干燥成本更具竞争力。

综上所述，本发明相对于现有技术，具有工艺简单、易控，生产过程安全高效、质量优良且稳定可靠，且处理成本相对低廉、生产过程绿色环保安全等有益效果。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明进行详细说明。

需要说明的是：

1、以下各实施例中，甲壳素纤维或壳聚糖纤维的初始含水率可以取不同的数据，仅仅为实验例举式描述上的方便，其对于本发明的真空冷冻干燥甲壳素纤维或壳聚糖纤维的最终效果不会造成任何实质性的变化或影响。

2、以下各实施例中，所称取的甲壳素纤维或壳聚糖纤维的质量可以取不同的数据，仅仅为实验例举式描述上的方便，其对于本发明的真空冷冻干燥甲壳素纤维或壳聚糖纤维的最终效果不会造成任何实质性的变化或影响。

实施例1

称取3.2664g含水率为69.56％的壳聚糖纤维，置于冰箱中预冷冻1h，之后再放于真空冷冻干燥机中，冷阱温度为-50～-85℃，真空度为1～70pa，冷冻干燥2h，取出干燥后的壳聚糖纤维，经称量质量为1.1422g，计算得干燥后的壳聚糖纤维的含水率为12.95％，换算成纤维回潮率为14.88％。

经检测，所得到的壳聚糖干纤维完全保留了其自身的化学结构与本身所具有的良好性能，分散性好且无硬块，相对密度为0.39±0.03g/cm³，外观蓬松，手感柔软舒适。

实施例2

称取3.6233g含水率为69.56％的壳聚糖纤维，置于冰箱中预冷冻1h，之后再放于真空冷冻干燥机中，冷阱温度为-50～-85℃，真空度为1～70pa，冷冻干燥3h，取出干燥后的壳聚糖纤维，经称量质量为1.2524g，计算得干燥后的壳聚糖纤维的含水率为11.93％，换算成纤维回潮率为13.55％。

经检测，所得到的壳聚糖干纤维完全保留了其自身的化学结构与本身所具有的良好性能，分散性好且无硬块，相对密度为0.39±0.03g/cm³，外观蓬松，手感柔软舒适。

实施例3

称取2.8209g含水率为69.56％的壳聚糖纤维，置于冰箱中预冷冻1h，之后再放于真空冷冻干燥机中，冷阱温度为-50～-85℃，真空度为1～70pa，冷冻干燥4h，取出干燥后的壳聚糖纤维，经称量质量为0.8769g，计算得干燥后的壳聚糖纤维的含水率为2.08％，换算成纤维回潮率为2.12％。

经检测，所得到的壳聚糖干纤维完全保留了其自身的化学结构与本身所具有的良好性能，分散性好且无硬块，相对密度为0.39±0.03g/cm³，外观蓬松，手感柔软舒适。

实施例4

称取2.7486g含水率为69.56％的甲壳素纤维，置于冰箱中预冷冻1h，之后再放于真空冷冻干燥机中，冷阱温度为-50～-85℃，真空度为1～70pa，冷冻干燥6h，取出干燥后的壳聚糖纤维，经称量质量为0.8367g，计算得干燥后的壳聚糖纤维的含水率为0.00％，换算成纤维回潮率为0.00％。

经检测，所得到的甲壳素干纤维完全保留了其自身的化学结构与本身所具有的良好性能，分散性好且无硬块，相对密度为0.39±0.03g/cm³，外观蓬松，手感柔软舒适。

实施例5

称取3.0486g含水率为69.56％的甲壳素纤维，置于冰箱中预冷冻1h，之后再放于真空冷冻干燥机中，冷阱温度为-50～-85℃，真空度为1～70pa，冷冻干燥8h，取出干燥后的壳聚糖纤维，经称量质量为0.9280g，计算得干燥后的壳聚糖纤维的含水率为0.00％，换算成纤维回潮率为0.00％。

经检测，所得到的甲壳素干纤维完全保留了其自身的化学结构与本身所具有的良好性能，分散性好且无硬块，相对密度为0.39±0.03g/cm³，外观蓬松，手感柔软舒适。

Claims (4)

1.一种甲壳素纤维或壳聚糖纤维的真空冷冻干燥方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，预冷冻步骤：

冷冻温度≤-20℃，冷冻时间≥1h，使甲壳素纤维或壳聚糖纤维所含水分全部凝结成固态；

第二步，冷冻干燥步骤：

在真空冷冻干燥机中进行，冷阱温度为-50～-85℃，真空度为1～70pa，冷冻干燥时间2-8h，直至甲壳素纤维或壳聚糖纤维的含水率为0-12.95%，即得。

2.根据权利要求1所述的甲壳素纤维或壳聚糖纤维的真空冷冻干燥方法，其特征在于，冷冻干燥所得甲壳素纤维或壳聚糖纤维的含水率为2.08-12.95%。

3.根据权利要求1-2任一所述的甲壳素纤维或壳聚糖纤维的真空冷冻干燥方法，其特征在于，冷冻干燥所得甲壳素纤维或壳聚糖纤维的相对密度为0.39±0.03g/cm³。

4.根据权利要求1-2任一所述的甲壳素纤维或壳聚糖纤维的真空冷冻干燥方法，其特征在于，所述冷冻干燥时间为2-6h。