聚对苯二甲酰己二胺的抗菌改性研究810003陈伟DOC.docx
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聚对苯二甲酰己二胺的抗菌改性研究810003陈伟DOC
本科生毕业设计（论文）
（2016届）
设计（论文）题目聚对苯二甲酰己二胺的抗菌改性研究
作者陈伟
分院、专业理工分院
班级高分子材料与工程1201
指导教师（职称）孙燕（副教授）
论文字数8228字
论文完成时间2016年4月15号
杭州师范大学钱江学院教学部制
聚对苯二甲酰己二胺的抗菌改性研究
高分子材料与工程专业1201班陈伟指导老师孙燕
摘要：
聚对苯二甲酰己二胺由于比其它常用材料的强度，模量、忍耐温度、PH值的特性，抗老化程度等优良性能，已应用在民生、航空航天、体育器材、国防设施、军工材料等多个方面了。
本项目的研究的目的是将聚对苯二甲酰己二胺与一定比例的壳聚糖复合，利用界面缩聚制得抗菌改性的聚对苯二甲酰己二胺，期望获得抗菌的聚对苯二甲酰己二胺改性产物。
关键词：
壳聚糖；抗菌；聚对苯二甲酰己二胺改性
StudyofAntibacterialmodificationofaramidfiber
PolymerMaterialsandEngineeringClass1201ChenWeinstructor:
YanSun
Abstract：
P-Phenyleneadipamidehasbeenwidelyusedinvariousaspectsofthenationaleconomy,suchasdefenseindustry,aerospace,electronics,construction,automotiveandsportinggoods,etc,withhighstrength,highmodulusandhightemperatureresistance,acidresistanceandalkaliresistance,lightweight,insulation,agingresistance,longlifecycleandotherexcellentperformance.Theresearchobjectiveistohexamethylenediamineandacertainproportionofchitosancomposite,theinterfacialpolycondensationofantibacterialmodificationofpolydiphenylmethyleneadipamideandexpecttogetantibacterialpolydiphenylmethyleneadipamidemodifiedproducts.
Keywords：
Chitosan;anti-microbial;P-PhenyleneadipamideModified
目录
1引言1
1.1研究背景1
1.2聚对苯二甲酰己二胺2
1.2.1聚对苯二甲酰己二胺的物理性质2
1.2.2聚对苯二甲酰己二胺的化学性质2
1.3聚对苯二甲酰己二胺纤维的具体广泛应用2
1.3.1防弹领域3
1.3.2轮胎领域3
1.3.3管带领域3
1.3.4航空航天、体育领域3
1.3.5电子、电气领域4
1.3.6高强绳索4
1.4壳聚糖的抗菌性质及应用4
1.5本研究解决的关键问题和创新之处5
2实验部分5
2.1实验试剂和仪器5
2.2实验步骤6
2.2.1空白的聚对苯二甲酰己二胺纤维制备6
2.2.2壳聚糖抗菌改性聚对苯二甲酰己二胺纤维制备6
2.2.3红外光谱表征（FTIR）[16]7
2.2.4差示扫描量热分析（DSC）[17]7
2.2.5抗菌测试7
3结果与讨论7
3.1各系列样品比较8
3.2空白以及不同浓度壳聚糖改性的聚对苯二甲酰己二胺纤维的红外分析8
3.3空白以及不同浓度壳聚糖改性的聚对苯二甲酰己二胺纤维的差示扫描量热分析9
4结论10
参考文献:
10
致谢12
聚对苯二甲酰己二胺的抗菌改性研究
高分子材料与工程专业1201班陈伟指导老师孙燕
1引言
1.1研究背景
芳纶是一种高性能纤维，芳纶全称为"聚对苯二甲酰对苯二胺",英文为Aramidfiber（帝人聚对苯二甲酰己二胺的商品名为Twaron杜邦公司的商品名为Kevlar），是一种新型高科技合成纤维，聚对苯二甲酰己二胺比间聚对苯二甲酰己二胺耐温度变化程度更加厉害，可以在零下近200℃到零上200℃范围内忍受温度变化，在600℃以下的温度，不发生分解反应和不会溶化。
聚对苯二甲酰己二胺的最大特性是它的强度非常大，模量非常高，他的强度比高强度的塑料大20倍，需要五倍的优质钢材才能于其等强度，甚至比玻璃纤维的强度还大上几倍；而其模量呢，比高强度的塑料大了好几倍，比玻璃纤维大了一倍，甚至比高强度的尼龙工业丝大了数十倍[5]。
与此同时，他的韧性程度恰恰符合纺丝工艺。
聚对苯二甲酰己二胺可以在在两百摄氏度下灼烧100小时后，他的强度跟原来相比变化不是很明显，而在160℃下灼烧五百小时，居然也能保持原有的强度。
所以说，聚对苯二甲酰己二胺因为它的耐温性和重量比较轻便，可以被用于耐温性的纺织材料和复合型纺织材料。
聚对苯二甲酰己二胺纤维是重要的国防军工材料，如今时代对战争需求，几个发达国家，如英美等，纷纷采用聚对苯二甲酰己二胺材质作为防弹衣。
20世纪海湾战争当中，大量聚对苯二甲酰己二胺复合材料应用在参战国家的飞机。
除此之外，伴随现代科技的高速发展，也为聚对苯二甲酰己二胺也在老百姓日常生活开辟了新的用途。
而轮胎业为了轻量化，减少滚动阻力，越来越多聚对苯二甲酰己二胺帘线开始进入视线。
伴随世界经济的发展和科技进步，聚对苯二甲酰己二胺纤维在越来越多的领域中发挥着作用。
由于聚对苯二甲酰己二胺纤维优异的性能，其应用不仅大量在军用战略物资中，而且民用一般物资领域还不断扩充着，比如高档体育用品和轮胎等，越来越多新的应用领域还在继续开发。
关于聚对苯二甲酰己二胺行业的发展形势，技术壁垒高的对位聚对苯二甲酰己二胺纤维因为其重要的军工战略意义长时间被小数国家所垄断。
这几年，随着科学技术的快速发展和生活水平的提高，人们对身体健康和环境卫生保健的意识也愈来愈强，各种抗菌纤维及纺织品的研究开发生产也愈来愈得到重视。
但聚对苯二甲酰己二胺材料在实际的应用和保存过程中,在适宜的温度和湿度条件下极易生长和繁殖细菌，严重威胁人类的健康，同时也会带来医疗事故和巨大的经济损失。
因此，多年来科学家一直致力于聚对苯二甲酰己二胺用抗菌剂的选择和抗菌加工方法的研究[1]。
1.2聚对苯二甲酰己二胺
1.2.1聚对苯二甲酰己二胺的物理性质
1、聚对苯二甲酰己二胺是一种柔性程度很高的高分子材料，因此具有良好的机械特性，比同类型的腈纶、涤纶、尼龙66等材料抗断裂程度更高，甚至拉伸程度也更大，由于其质地柔软，可塑性也非常高，因此可生产成出不同类型的纤维，比如不同长度，不同纤度，来满足不同领域的服装要求[2]。
2、聚对苯二甲酰己二胺比间聚对苯二甲酰己二胺耐温度变化程度更加厉害，可以在零下近200℃到零上200℃范围内忍受温度变化，在600℃以下的温度，不发生分解反应和不会溶化。
聚对苯二甲酰己二胺的最大特性是它的强度非常大，模量非常高，他的强度比高强度的塑料大20倍，需要五倍的优质钢材才能于其等强度，甚至比玻璃纤维的强度还大上几倍；而其模量呢，比高强度的塑料大了好几倍，比玻璃纤维大了一倍，甚至比高强度的尼龙工业丝大了数十倍。
1.2.2聚对苯二甲酰己二胺的化学性质
1、稳定的化学性质
聚对苯二甲酰己二胺可以耐大多数高浓度的无机酸，常温下也可以在碱性溶液中生产。
聚对苯二甲酰己二胺比间聚对苯二甲酰己二胺耐温度变化程度更加厉害，可以在零下近200℃到零上200℃范围内忍受温度变化，在600℃以下的温度，不发生分解反应和不会溶化。
2、耐久性
聚对苯二甲酰己二胺比间聚对苯二甲酰己二胺耐温度变化程度更加厉害，可以在零下近200℃到零上200℃范围内忍受温度变化，在600℃以下的温度，不发生分解反应和不会溶化。
聚对苯二甲酰己二胺的最大特性是它的强度非常大，模量非常高，他的强度比高强度的塑料大20倍，需要五倍的优质钢材才能于其等强度，甚至比玻璃纤维的强度还大上几倍；而其模量呢，比高强度的塑料大了好几倍，比玻璃纤维大了一倍，甚至比高强度的尼龙工业丝大了数十倍。
与此同时，他的韧性程度恰恰符合纺丝工艺。
聚对苯二甲酰己二胺可以在在两百摄氏度下灼烧100小时后，他的强度跟原来相比变化不是很明显，而在160℃下灼烧五百小时，居然也能保持原有的强度。
所以说，聚对苯二甲酰己二胺因为它的耐温性和重量比较轻便，可以被用于耐温性的纺织材料和复合型纺织材料。
而聚对苯二甲酰己二胺并不是没有缺点是，比如在潮湿环境下它的性能容易发生改变，在压缩的情况下，容易变形，还有于材料的粘合程度不高，不太容易连接，在紫外线辐射下，容易破坏其内在结构[3]。
1.3聚对苯二甲酰己二胺纤维的具体广泛应用
聚对苯二甲酰己二胺纤维是重要的国防军工材料，如今时代对战争需求，几个发达国家，如英美等，纷纷采用聚对苯二甲酰己二胺材质作为防弹衣。
20世纪海湾战争当中，大量聚对苯二甲酰己二胺复合材料应用在参战国家的飞机。
除此之外，伴随现代科技的高速发展，也为聚对苯二甲酰己二胺也在老百姓日常生活开辟了新的用途。
据可靠统计，聚对苯二甲酰己二胺产品应用在防弹衣、头盔等材料约占一成，航空航天材料、体育用材料等方面接近一半；轮胎骨架材料、传送带材料等方面大约两成左右，还有在高强度绳索等方面大约占13%。
而轮胎业为了轻量化，减少滚动阻力，越来越多聚对苯二甲酰己二胺帘线开始进入视线[4]。
1.3.1防弹领域
聚对苯二甲酰己二胺纤维是重要的国防军工材料，如今时代对战争需求，几个发达国家，如英美等，纷纷采用聚对苯二甲酰己二胺材质作为防弹衣，而聚对苯二甲酰己二胺制作的防弹衣、头盔拥有轻量化的特点，非常高效地提高了军队的反应能力跟杀伤力。
聚对苯二甲酰己二胺纤维所具有的优越热稳定性、高结晶性、高取向结构及高拉伸性能使其具有优异的抗弹道冲击性。
玻璃化转变温度高和优异的热稳定性使聚对苯二甲酰己二胺纤维在弹道冲击所产生的高温度下可以保证抗冲击结构的稳定性；由于高度结晶、高度取向性从而产生了高模量，也让轴向的高速变形提供了可能性;高弹性和良好的延展性使得具有很好的韧性，从而让聚对苯二甲酰己二胺纤维在纵向延伸中能有效地工作[5]。
1.3.2轮胎领域
从动力学角度进行分析，聚对苯二甲酰己二胺的模量随着温度的升高而变大，但是损耗模量却随着温度的升高而变小，因此聚对苯二甲酰己二胺可以在极高的温度下进行工作，根据聚对苯二甲酰己二胺的综合性能，的优势非常显著首先可以让胎体的层数减少，减小车胎重量，从而使得轮胎滚动阻力降低，因而油耗也可以显著减少；其次聚对苯二甲酰己二胺帘线与橡胶的粘合效果非常高效，并且受水分、湿度的影响比较小，所以比钢丝等其他材料更好的适用于轮胎；最后通过聚对苯二甲酰己二胺作帘线后，轮胎的刚性、耐磨性大大提高，从而使轮胎从燃油经济角度和乘坐舒适角度上来看，大大提高了其优势；其次从牵引和制动性能，耐磨性、耐刺扎性及操控稳定性能来看，也是相比其它材料更加适合应用在轮胎上；而且由于温升不大，因此十分适合高速行驶；最后相比其它材料，聚对苯二甲酰己二胺帘线随着使用增多，胎面磨损也是最少的，因而挺高了胎体寿命，提高了利用率，非常符合如今节能化的趋势。
由聚对苯二甲酰己二胺纤维制得的轮胎帘线在高温下机械性能基本不受温度的影响，在变化的作用力作用下，他可以减少能耗产生，减少胎体发热程度，提高胎体寿命，轮胎的体积重量也可以变得更轻便，从而使轮胎在某一些极限环境下可以继续使用[6]。
1.3.3管带领域
钢丝和尼龙、聚酯、人造丝等各种纤维织物是软管采用的传统增强材料。
如今人们对软管的要求越来越高，需要它承受更高的温度和压力，用来适应非常苛刻的环境下，因此软管增强材料被要求不仅能够承受极高的压力和非常高的温度温，所以要求软管增强材料需要在这些苛刻条件下进行良好的运作。
如今如今时代对软管需求，的比重在不断夸大，而且需求也越来越大，提高的非常之快。
比尼龙、钢丝和聚酯纤维等传统增强材料在比强度和比模量上更适应苛刻环境，所以因钢丝内部断裂，而破坏外层保护胶层的情况减少发生；而聚对苯二甲酰己二胺编织胶管比其他传统材料在伸展率优势也很明显，使得软管的体积在增加压力的时候变化小；最后聚对苯二甲酰己二胺编织胶管相比于其它可以承受更大的弯曲程度，承受更大的摩擦力，因此不会引起软管过于弯曲而老化的情况。
这些优点使得聚对苯二甲酰己二胺纤维成为软管增强材料的最佳选择。
而在医学骨架材料方面，对位聚对苯二甲酰己二胺纤维由于其具有的种种优势，已成为未来发展的重要趋势了。
1.3.4航空航天、体育领域
聚对苯二甲酰己二胺纤维可以在腐蚀程度大的情况还能保持特性，具有高强度，较大的比模量特点外，极小的密度和在高温下可以阻止燃烧的优点，这使它作为高性能材料在航空方面已经应用广泛，比如飞机的内舱、机体结构等大多采用聚对苯二甲酰己二胺复合材料。
在航空、航天方面，聚对苯二甲酰己二胺由于密度小，强度高的特点，节省了大量的动力燃料，因此能够很好的大量使用，增加了其民用使用率。
除此之外，科学技术的迅猛发展的新时代，也为聚对苯二甲酰己二胺开辟着更多新的民用空间。
聚对苯二甲酰己二胺因为耐磨蚀、比强度和比模量高、密度低、耐冲击阻燃这些特点，使其在航天航空的功能构件，星载雷达天线罩以及轻型天线支撑结构中使用[7]。
1.3.5电子、电气领域
聚对苯二甲酰己二胺纤维的耐磨蚀、比强度和比模量高、密度低、耐冲击阻燃的特点，使得它在电子电气领域中已应用于机载或星载雷达天线罩、微电子组装技术中表面安装技术用的特种印刷电路板，运动电气、雷达天线馈源功能结构部件等多方面。
美国某公司已经研制出的多颗卫星的多部抛物面天线中，均采用聚对苯二甲酰己二胺纤维织物复合材料制造而成的反射面。
1.3.6高强绳索
聚对苯二甲酰己二胺纤维是经过特殊工艺，先聚合，再拉伸，最后纺丝而成的一种耐高温强力纤维。
它大量应用在各个领域，如悬索、吊索，军工缆绳索，大型、特殊船舶，电力、电缆工程作业等，并且它能在酸碱度可以在苛刻的PH酸碱性海洋中及特殊作业不受损害，更能适应于低高温作业等[8]。
1.4壳聚糖的抗菌性质及应用
壳聚糖及其衍生物具有良好的抗菌性能，已被应用在多个领域了，能够抵抗某些真菌性，细菌，甚至病毒的生长与繁殖。
壳聚糖的抗菌、抑菌性能受到很多很多因素制约，比如壳聚糖的分子量、壳聚糖的浓度、PH值等。
壳聚糖抑菌的机理原因有，扰乱DNA的复制与转录，阻止病原体的新陈代谢，从而改变病原体细胞的流动性能和通透性能。
随着现代科技的高速发展，也为壳聚糖也在老百姓日常生活开辟了新的用途：
一壳聚糖在工业生产上由于其抗菌性，在纺织生产中扮演了很重要的角色，赋予了织物的抗菌作用，而在造纸工业中，壳聚糖让纸张防腐作用大大提高；二在食品加工工业中，壳聚糖作为的涂膜剂大大地提高食品、瓜果蔬菜的保险时间，减少在运输过程中的损失，从而减少了成本；
三在农业生产中，种子通过壳聚糖的处理后，抗菌能力大幅度提早，大大地提高了生存率；
四壳聚糖在农药中的应用，解决了害虫的难题；五从环保领域中，自来水通过壳聚糖处理，其带有的细菌会大幅度减少；六化妆品中含有壳聚糖，可以延长化妆品的保质期，而且对皮肤也有改善作用，阻止真菌入侵[9]。
1.5本研究解决的关键问题和创新之处
本项目研究的是通过界面缩聚制备壳聚糖抗菌改性的聚对苯二甲酰己二胺纤维。
但是界面拉丝过程中，很难保证拉出的丝是均匀的。
因此要获得准确的力学数据，需要对界面缩聚制得的聚对苯二甲酰己二胺纤维进行二次熔融纺丝加工[10]。
可以通过溶液纺丝的办法进行纺丝，通过壳聚糖改性后，培养在菌种里，然后再测算其抑菌率。
本研究拟利用壳聚糖改性聚对苯二甲酰己二胺纤维，改性后的聚对苯二甲酰己二胺纤维有望具有抗菌、生物可降解和耐化学药品性好的优异综合性能。
2实验部分
2.1实验试剂和仪器
（1）实验试剂
表2-1实验药品
试剂名称
级别
厂家
革兰氏阳性细菌:
金黄色葡萄球菌（ATCC25923）、枯草杆菌（ATCC63501）;革兰氏阴性细菌:
绿脓杆菌（ATCC27853）、大肠杆菌（ATCC25922）（ATCC27853）、大肠杆菌（ATCC25922）、邻苯二氢钾缓冲液;琼脂;营养肉汤
AR
制备
壳聚糖（CS）
分子量150kDa,
脱乙酰度90%,AR
国药集团化学试剂有限公司
对苯二甲酰氯
AR
上海振兴化工
氢氧化钠
AR
上海振兴化工
CCl4
AR
上海国药集团化学试剂有限公司
己二胺
AR
上海国药集团化学试剂有限公司
PBS缓冲液
R
吉诺生物医药技术有限公司
硅酸甲酯
AR
杭州大方化学试剂厂
表2-2实验仪器
实验仪器
厂家
万能材料试验机
Instron-5966，美国Instron公司
超低温恒温冷冻箱
日本SANYO（三洋）公司
荧光电子显微镜
Olympus
Perkin-ElmerPYRISI型差示扫描量热仪
美国TA仪器公司
傅立叶变换红外光谱仪FT-IR200
浙江精科计量仪器有限公司
电子天平
上海民桥精密科学仪器有限公司
磁力搅拌器
杭州仪表电机有限公司
2.2实验步骤
2.2.1空白的聚对苯二甲酰己二胺纤维制备
在烧杯A中，把0.25克的对苯二甲酰氯溶解于25mL的CCl4溶液中；在烧杯B中加入溶有0.6克氢氧化钠的水溶液25mL中，然后将1克的己二胺溶解在其中。
然后将烧杯B中的己二胺的碱性水溶液沿着杯壁缓缓倒入A烧杯中，利用界面缩聚制得聚对苯二甲酰己二胺1系产物[15]。
图2-1界面缩聚示意图
2.2.2壳聚糖抗菌改性聚对苯二甲酰己二胺纤维制备
在200mL烧杯A中，将0.6克的苯二甲酰氯溶解在25mL的CCl4溶液中；在烧杯B中，用冷冻爆破法，将壳聚糖在LiOH/尿素溶液中溶胀，-60℃冷冻结冰，解冻搅拌后得到澄清壳聚糖溶液（通过冷冻-解冻的方法）配制以2M氢氧化锂-1M尿素为溶剂的一系列壳聚糖溶液，壳聚糖浓度依次质量分数为：
0.05%，0.1%，0.3%，0.5%充分溶解成为无色透明溶液，使用450nm微孔过滤器过滤溶液。
然后将烧杯B中的壳聚糖的碱性水溶液沿着杯壁缓缓倒入A烧杯中，利用界面缩聚的聚对苯二甲酰己二胺3系产物。
图2-3壳聚糖抗菌改性聚对苯二甲酰己二胺制作示意图
2.2.3红外光谱表征（FTIR）[16]
2.2.4差示扫描量热分析（DSC）[17]
2.2.5抗菌测试
取等量的空白的聚对苯二甲酰己二胺纤维、壳聚糖浓度依次质量分数为：
0.05%，0.1%，0.3%，0.5%的壳聚糖改性聚对苯二甲酰己二胺纤维样品，放入由革兰氏阳性细菌:
金黄色葡萄球菌（ATCC25923）、枯草杆菌（ATCC63501）;革兰氏阴性细菌:
绿脓杆菌（ATCC27853）、大肠杆菌（ATCC25922）（ATCC27853）、大肠杆菌（ATCC25922）所培养的营养肉汤中，通过振荡摇匀，使之于菌种所在的液体充分接触，然后将菌液倒入含有琼脂的培养基中按一定适宜的温度下培养，然后通过计算振荡前菌落数和振荡后的菌落数来计算抗菌程度的好坏，抗菌效果用抑菌率表示,公式为:
抑菌率（%）=X-YX×100%式中,X为振荡前瓶中的菌落数,Y为振荡后瓶中的菌落数。
3结果与讨论
3.1各系列样品比较
表3-1各系列样品抑菌率比较
（不同浓度壳聚糖改性后的聚对苯二甲酰己二胺纤维）
0.05%
0.1%
0.3%
0.5%
空白对照组
震荡前菌落数
8900
9300
4000
9400
9400
震荡后菌落数
265
186
9
25
12590
抑菌率
97.0
98.0
99.8
99.8
表3-2各系列样品比较
样品名称
抑菌率
空白的聚对苯二甲酰己二胺纤维
低
低浓度壳聚糖改性聚对苯二甲酰己二胺
高
高浓度壳聚糖改性聚对苯二甲酰己二胺
高
3.2空白以及不同浓度壳聚糖改性的聚对苯二甲酰己二胺纤维的红外分析
图3-4空白以及不同浓度壳聚糖改性的聚对苯二甲酰己二胺纤维的红外光谱图
（A）空白PA；（B）0.5%CS-PA；（C）0.3%CS-PA；（D）0.1%CS-PA；（E）0..05%CS-PA
据图3-4所示，BCDE中的壳聚糖在1632cm-1与1605cm-1两处的吸收峰分别是由C=O伸缩振动和N—H弯曲振动引起的，分别为酰胺Ⅰ与Ⅱ的特征吸收峰。
随着壳聚糖浓度的增加，1605cm-1处的吸收峰慢慢降低，最终被1580cm-1处的吸收峰取代，说明这时壳聚糖的伯胺转已经变成仲胺，因此壳聚糖和聚对苯二甲酰己二胺纤维反应成功。
3.3空白以及不同浓度壳聚糖改性的聚对苯二甲酰己二胺纤维的差示扫描量热分析
图3-6DCS谱图
图3-6空白以及不同浓度壳聚糖改性的聚对苯二甲酰己二胺纤维的DSC谱图
（A）空白PA；（B）0.5%CS-PA；（C）0.3%CS-PA；（D）0.1%CS-PA；（E）0..05%CS-PA
如图3-6所示，经过不同浓度的壳聚糖改性以后的聚对苯二甲酰己二胺纤维会有不同的吸热峰，而且会有比较大的差别，其玻璃化温度依次为140℃，160℃，236℃，236℃和157℃，这原因就是其结晶度不同。
而且随着壳聚糖浓度的不断增大吸热峰越来越小，不同的聚对苯二甲酰己二胺纤维也相应的越来越稳定。
4结论
本实验利用壳聚糖改性聚对苯二甲酰己二胺纤维。
结果显示利用壳聚糖改性后的聚对苯二甲酰己二胺纤维具有稳定性优良、抗菌性好性能；是一种性能优异的新型高分子材料，但是由于时间和实验条件的限制，本部分数据还有待进一步完善和提高。
参考文献:
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