O-季銨鹽氧化殼聚糖的合成及對棉織物的抗菌整理

周曉龍，汪瑞琪，陳國麗，郭文明，陳 飛，周 炎，孫立德，湯大保，許云輝

（1. 安徽農業大學材料與化學學院, 合肥 230036； 2. 安徽京九絲綢股份有限公司, 阜陽 236000）

殼聚糖是自然界中唯一已知的天然堿性多糖，因其來源豐富、 可再生、 獨特的生理及生物活性而被廣泛應用［1，2］. 但殼聚糖分子間較強的氫鍵作用使其難溶于水，且其抗菌性受到分子量、 脫乙酰度和pH值的影響，因而限制了其應用范圍［3，4］. 在殼聚糖中引入位阻大、 水合能力強的季銨鹽基團能削弱分子間氫鍵，提高殼聚糖的水溶性及抑菌性. 目前殼聚糖季銨化研究已成為殼聚糖化學改性的重要方向［5，6］.

近年來，在殼聚糖分子C2位氨基上進行季銨化或接枝季銨鹽引起很多學者的關注. Yin等［7］首先使用二甲氨基氯乙烷鹽酸鹽以及5，5-二甲基海因制備了（5，5-二甲基苯乙烯基）-3-乙基二甲胺（ENDMH），然后將ENDMH與殼聚糖在80 ℃下反應24 h制備了季銨鹽殼聚糖. Ke等［8］使用3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨，通過乳液交聯反應對殼聚糖C2位的—NH2基進行取代，獲得N-季銨化殼聚糖產物. 也有學者在殼聚糖分子的—NH2上先形成席夫堿，再將席夫堿還原，然后與鹵代烴反應后轉化為季銨鹽，此方法可以在殼聚糖分子中引入不同長度的烷基鏈［9，10］. 但這些方法反應周期長，使用的化學助劑對人體和環境存在危害，應用受限，且在反應過程中會消耗大量的殼聚糖氨基，使殼聚糖的天然抑菌性和陽離子特性被破壞［11，12］.

為了保護殼聚糖的C2位氨基和天然性質，許多學者先在殼聚糖中的氨基上形成席夫堿進行保護，然后在C6位羥基上接枝季銨鹽，再脫除保護基團，獲得O-季銨化殼聚糖產物. 高艷麗等［13］利用甲殼素分子中的C6位羥基的反應活性大于C2位乙酰氨基和C3位仲羥基的特性，在水體系中將α和β兩種不同晶型的甲殼素與環氧丙基三甲基氯化銨（GTMAC）發生C6位親核取代，合成出C6位取代的O-甲殼素季銨鹽衍生物. 劉新等［14］和林友文等［15］均采用苯甲醛與殼聚糖先在C2位發生席夫堿反應，再在C6位接枝2，3-環氧丙基三甲基氯化銨（GTA）后脫保護，合成出O-季銨鹽殼聚糖. 但苯甲醛化學性質不穩定，有一定毒性，且該類季銨鹽殼聚糖分子中的反應基團較少，與紡織纖維缺少有效的化學鍵結合，耐水洗性能差.

香草醛被稱為“食品香料之王”，安全無毒，應用面廣，也常被用于合成香草醛-殼聚糖席夫堿［16］及香草醛-殼聚糖季銨鹽［17］等殼聚糖衍生物. 為了增強殼聚糖衍生物與纖維材料的結合牢度，一些學者采用高碘酸鈉選擇性氧化殼聚糖制備出雙醛基殼聚糖［18］，并使其分別與棉織物和羊毛形成半縮醛和席夫堿等交聯［19，20］，從而實現纖維材料的持久抗菌和低鹽染色等性能.

本文采用香草醛與殼聚糖反應形成席夫堿保護C2 位氨基，再在殼聚糖的C6 位進行取代后脫去席夫堿，合成了O-季銨鹽殼聚糖（O-HACC），然后使用KIO4將O-HACC中C2位和C3位的部分基團選擇性氧化為醛基，得到了新型的O-季銨鹽氧化殼聚糖（O-HAOCC）. 由于在C6 位接枝了季銨鹽基團，O-HAOCC的水溶性好，且保持了殼聚糖的聚陽離子氨基的抑菌活性，具有季銨鹽與陽離子氨基的雙重抗菌能力； 同時O-HAOCC 分子中的雙醛基團可與紡織纖維形成半縮醛及席夫堿等化學鍵合，可廣泛用于持久抗菌的纖維材料、 紡織服裝、 家紡面料和生物醫療等領域，拓展了殼聚糖的應用范圍，為合成功能性殼聚糖衍生物與研發抗菌生態紡織品開辟了新途徑.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

殼聚糖（CTS），脫乙酰度≥95%，黏均分子量為7.2×105，化學純，西格瑪奧德里奇（上海）貿易有限公司； 2，3-環氧丙基三甲基氯化銨（GTA）和高碘酸鉀（KIO4），分析純，上海阿達瑪斯貝塔化學試劑有限公司； 香草醛、 過硫酸鉀和丙酮，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司； 2，2'-聯氮雙（3-乙基苯并咪唑-6-磺酸）二銨鹽（ABTS），分析純，上海麥克林生化科技股份有限公司； 乙酸和無水乙醇，分析純，上海泰坦科技股份有限公司； 純棉織物（118 g/m2），紹興豐錦紡織品有限公司； 大腸桿菌（E. coli，ATCC 8099）和金黃色葡萄球菌（S. aureus，ATCC 6538），安徽醫科大學.

Tensor Ⅱ型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），在400～4000 cm-1范圍進行掃描，分辨率為4 cm-1，德國Bruker公司； MXPAHF型X射線衍射儀（XRD），管電壓為36 kV，管電流為20 mA，掃描速度為4°/min，2θ范圍為5°～50°，日本瑪珂公司； Agilent DD2 600 MHz 型超導傅里葉變換液體核磁共振波譜儀（1H NMR），瑞士Bruker 公司； Mettler Toledo 型熱重分析儀（TGA），瑞士梅特勒托利多集團； Hitachi S-4800型掃描電子顯微鏡（SEM），日本日立公司； UV-4802S型紫外分光光度計，上海尤尼柯儀器有限公司； KDN-B型全自動凱氏定氮儀，上海欣嘉科技有限公司.

1.2 O-季銨鹽殼聚糖的合成

1.2.1 殼聚糖席夫堿（Schiff-CTS）的合成 25 ℃下，將2 g 殼聚糖溶于120 mL 體積分數為10%的乙酸中，加入40 mL無水乙醇，在攪拌下于30 min內滴加含有14.6 g香草醛的乙醇溶液，然后于60 ℃加熱回流20 h，冷卻后在高速攪拌下滴加0.5 mol/L NaOH溶液調節pH值為7.0，將析出的沉淀抽濾后用甲醇充分超聲洗滌，于50 ℃真空干燥后得到Schiff-CTS粉末（Scheme 1）.

Scheme 1 Synthetic route of O-HAOCC

1.2.2O-季銨鹽席夫堿殼聚糖（Schiff-HACC）的合成 將Schiff-CTS 置于三口燒瓶中，加入40 mL 質量分數為0.1%～0.5%的NaOH溶液，攪拌使其分散均勻［16］，然后按照一定比例（Schiff-CTS與GTA摩爾比分別為2∶1，1∶1，1∶2，1∶3，1∶4 和1∶5）分3 次（每15 min 加1 次）加入GTA，在40～90 ℃下攪拌反應1～7 h，得到黏稠狀產物，用無水乙醇沉淀、 過濾，再用80%的乙醇溶液超聲洗滌30 min，所得粗產物在無水乙醇為溶劑的索氏萃取器中萃取24 h，然后于70 ℃真空干燥，即得到Schiff-HACC 固體粉末（Scheme 1）. 最優的合成條件為NaOH 質量濃度0.2%，Schiff-CTS 與GTA 摩爾比1∶3，反應溫度80 ℃，反應時間3 h； 將最優條件下制備的產物命名為Schiff-HACC-0.2-1/3-80-3.

1.2.3O-季銨鹽殼聚糖（O-HACC）的合成 將Schiff-HACC 置于50 mL 0.25 mol/L 的HCl 乙醇溶液中，室溫攪拌24 h后蒸發去除大部分乙醇，得到膠狀物，加入15 mL去離子水溶解，再用丙酮沉淀、 抽濾，80 ℃真空干燥后獲得粉末狀固體，即為O-HACC（Scheme 1），收率為63.75%～88.62%. 將利用最優條件下制備的Schiff-HACC合成的產物命名為O-HACC-0.2-1/3-80-3.

1.3 O-季銨鹽氧化殼聚糖的制備

將O-HACC-0.2-1/3-80-3按浴比［O-HACC質量（g）與去離子水體積（mL）比］1∶50溶于去離子水中，用體積分數為10%的乙酸溶液調節pH值為4.0，加入不同質量的高碘酸鉀使溶液中的氧化劑濃度分別為4 g/L和8 g/L，在25 ℃下避光攪拌反應1～8 h后，添加2倍體積的無水乙醇終止反應，然后將反應液裝入透析袋中流水透析2～3 d，所得溶液經60 ℃旋轉蒸發，得到O-季銨鹽氧化殼聚糖（O-HAOCC）固體粉末（Scheme 1）. 根據氧化劑濃度和反應時間，命名為O-HAOCC-x-y［x（g/mL）為KIO4濃度，取值為4和8；y（h）為反應時間，取值為1～8］.

1.4 O-季銨鹽氧化殼聚糖改性棉織物的制備

將煮練退漿的棉織物浸漬在質量分數為0.5%～4.0%的O-HAOCC（由O-HACC-3-80用4 g/L KIO4溶液氧化3 h制得的樣品）溶液中，使用稀鹽酸調節反應液的pH值為4.0左右，在80 ℃恒溫水浴中攪拌反應2 h. 反應結束后取出棉織物，放入真空烘箱中于60 ℃預烘20 min，然后升溫至80 ℃干燥2 h，再將干燥后的棉織物用清水浸泡8 h，脫水、 晾干后，即得到不同接枝率的O-HAOCC改性棉織物.

1.5 O-HACC季銨鹽取代度的測定

參照文獻［21］方法測定O-HACC 的季銨鹽取代度（DS）. 將0.2 gO-HACC 季銨鹽用去離子水定容至50 mL，移取25 mL樣品溶液，加入25 mL去離子水，然后用0.1 mol/L 的氫氧化鈉溶液調節pH值在8.6～9.2之間，滴加1 mL質量分數為8%的鉻酸鉀指示劑，使用0.05 mol/L的硝酸銀進行滴定.

式中：c（mol/L）為硝酸銀溶液濃度；V（mL）為消耗的硝酸銀溶液的體積；m（g）為被滴定的O-HACC的質量；n0為O-HACC的單元分子量，本文中為297；n1為原殼聚糖的單元分子量，本文中為163.

1.6 O-HAOCC氧化度的測定

實驗中使用KIO4將O-HACC中C2位和C3位的部分基團選擇性氧化為醛基，利用紫外-可見分光光度計法測試O-HAOCC中的醛基含量［22］. 在最大吸收波長245 nm處測試一系列濃度的高碘酸鉀溶液吸光度值，并繪制出標準曲線，然后測試氧化反應結束后高碘酸鉀溶液的吸光度并計算其濃度，通過下式計算O-HAOCC的氧化度（DO，mmol/g）：

式中：c0（mg/mL）為反應前高碘酸鉀的濃度；c1（mg/mL）為反應結束后高碘酸鉀的濃度；V（mL）為反應液的體積；M（230）為高碘酸鉀的摩爾質量；m（g）為加入的O-HACC干燥質量.

1.7 O-HAOCC收率的測定

產物收率能一定程度上反映O-HAOCC的氧化降解程度，計算公式如下：

式中：Y（%）為O-HAOCC收率；m2（g）為反應前加入反應物O-HACC的干燥質量；m1（g）為反應結束之后回收產物O-HAOCC的干燥質量；M1（298.46）為原料O-HACC葡萄糖單元的摩爾質量；M2（326.47）為產物O-HAOCC葡萄糖單元的摩爾質量.

1.8 水溶性測定

將0.05 g 樣品在室溫下攪拌溶解在10 mL 去離子水中，當加入的樣品完全溶解后，再每次加入0.05 g樣品，直至攪拌樣品不再溶解為止. 離心除去未溶解的樣品，按下式計算樣品在水中的溶解度（S，g/L）：

式中：m0（g）為加入水中的樣品質量；m'（g）為未溶解的樣品質量；V（L）為去離子水的體積.

1.9 黏均分子量測定

將O-HACC或O-HAOCC溶解在0.2 mol/L NaCl＋0.1 mol/L CH3COOH溶液中，配制成2.0 mg/mL的溶液. 采用黏度法測量并計算出其在（25.0±0.1） ℃下的特性黏度［η］，從而計算其黏均分子量（Mv）［23］. 當采用黏度法測試的樣品是高分子的稀溶液時，常數K和α值的變化對檢測結果影響較小.測試發現，當α在0.8～1.0區間變化時，殼聚糖黏均分子量誤差在4%以內. 溶液的特性黏度與黏均分子量之間滿足如下關系式：

1.10 抗氧化性測定

配制濃度為2.6 mmol/L 的K2S2O8溶液與濃度為7.4 mmol/L 的ABTS·+溶液，分別取2 mL混合均勻，于25 ℃下避光反應12 h，制得ABTS·+自由基溶液，再用無水乙醇稀釋ABTS·+自由基溶液（稀釋約53倍），使其在734 nm處的吸光度為（0.7±0.025）［24］. 將2 mgO-HACC或O-HAOCC溶于2 mL去離子水中，再與8 mL 稀釋后的ABTS·+溶液發生反應，然后每5 min 測定溶液在734 nm 處的吸光度，共測試8次. 另取2 mL去離子水與8 mL稀釋后的ABTS·+溶液混合均勻，作為空白樣. 利用下式計算自由基消除率（R，%），R越高，則抗氧化性能越強.

式中：A0為空白樣的吸光度；A1為樣品反應后的吸光度.

1.11 改性棉織物上O-HAOCC的接枝率測定

棉織物中不含N元素，而O-HAOCC中含有較多的N元素，使用凱氏定氮法測定O-HAOCC改性棉織物上N元素含量，計算公式如下：

式中：N（%）為樣品中N 元素含量；VT和VB（mL）分別為樣品和空白滴定中使用的鹽酸溶液的體積；M（mol/L）為標準鹽酸溶液的濃度；mf（mg）為測試樣品的干燥質量.

改性棉織物上的O-HAOCC接枝率（G，%）按下式計算：

式中：mf（g）為改性棉織物的干燥質量.

1.12 改性棉織物的服用性能測定

棉織物的力學性能、 吸水毛細效應、 白度和折皺回復角分別按照相關標準GB/T 3923.1-2013《紡織品織物拉伸性能》（樣品夾持長度15 cm、 拉伸速度200 mm/min）、 FZ/T 01071-2008《紡織品毛細效應試驗方法》、 GB/T 17644-2008《紡織纖維白度色度試驗方法》和GB/T 3819-1997《紡織品織物折痕回復性的測定》進行測試.

1.13 改性棉織物的抗菌性能測定

參照美國AATCC Test Method 100-1999《定量測試方法》對空白棉織物或O-HAOCC改性棉織物進行抗菌性能測試. 根據下式計算織物的抗菌率（D，%）：

式中：C0和C分別為空白棉織物和改性棉織物的細菌菌落數. 抗菌耐久性測試參照FZ/T 73023-2006《抗菌針織品附錄C： 抗菌織物試樣洗滌試驗方法》進行50次洗滌測試.

2 結果與討論

2.1 O-HACC和O-HAOCC的制備條件分析

殼聚糖氨基中帶有孤電子對的氮原子可與香草醛的醛基上的碳原子發生親核加成反應形成殼聚糖席夫堿（Shciff-CTS）. 由于線型大分子殼聚糖存在較大的位阻影響，本文采用過量的香草醛與殼聚糖進行均相反應使殼聚糖C2 位氨基全部生成席夫堿. 理論上殼聚糖C2 位的—NH2，C3 位和C6 位的—OH均為親核基團，其中C2位—NH2供電子性最強，與香草醛形成席夫堿受到保護； C3位—OH 為仲醇羥基，不活潑，且位于吡喃糖環內，空間位阻大，親核取代反應難發生［25］. 吡喃糖環外的C6位—OH為伯羥基，位阻小，活性較高，故Schiff-CTS與GTA的取代反應主要發生在殼聚糖的C6位—OH，生成了C6位取代的O-季銨鹽殼聚糖.

DS是衡量殼聚糖C6位季銨鹽基團接枝程度的物理量，圖1示出了反應條件對殼聚糖季銨鹽取代度的影響. 由圖1可見，Schiff-CTS與GTA在堿性條件下發生親核取代反應，季銨鹽取代度隨著GTA用量的增加先增大后減小，Schiff-CTS 與GTA 的摩爾比為1∶3 時的取代度達到最高值（86.35%）. 因為Schiff-CTS與GTA的反應是非均相反應，隨著GTA用量增多，與殼聚糖接觸的幾率增大，促進親核取代反應的進行； 但繼續提高GTA 的用量，由于Schiff-CTS 中可供取代的基團數量有限，同時較大的GTA季銨鹽基團的引入使殼聚糖空間位阻增大，取代反應不易繼續進行，且過多的GTA導致GTA自身的副反應增多［26］，造成取代度降低. 反應溫度對季銨鹽取代反應影響較大，隨著反應溫度升高，Schiff-CTS的季銨鹽取代度明顯增加，在80 ℃時，取代度最大. 提高溫度可加快反應物的動能，有利于GTA分子克服在Schiff-CTS表面的空間位阻，從而提高產物取代度； 但溫度過高會引起Schiff-CTS的主鏈降解和GTA的環氧鍵斷裂形成交聯，不利于Schiff-CTS和GTA的取代反應進行.

Schiff-CTS 的結構中有多個可能發生取代反應的羥基，其中C6 位的一級醇羥基和香草醛的酚羥基在堿性條件下可分別形成氧負離子和酚氧負離子，更容易發生取代反應生成Schiff-HACC（Scheme 1），而C3 位的二級羥基位阻大，難以發生反應，因此理論上Schiff-CTS 中接枝GTA 季銨鹽的位置不是唯一的，而是多種羥基的競爭反應［15］； 同時NaOH溶液能充分溶脹Schiff-CTS，促使殼聚糖中的活性基團顯露出來，增加與GTA 接觸的幾率，這均有利于Schiff-CTS 與GTA 進行親核取代反應，生成O-季銨鹽席夫堿殼聚糖（Schiff-HACC）. 由圖1可見，中性環境下Schiff-CTS的季銨鹽取代度較低，不足65%，而加入催化劑NaOH溶液顯著提高了取代度，當NaOH質量分數為0.2%時，Schiff-CTS的取代度達到86%以上. 實驗中發現，堿濃度增大，反應體系澄清速度加快，表明堿性條件促進了取代反應的發生； 而當堿濃度過高時，GTA的環氧鍵易斷裂，形成鄰羥基［25，26］，反應活性降低，導致產物取代度減小. 由圖1可知，延長反應時間，Schiff-CTS中C6位取代度逐漸提高，反應3 h的取代度達到最高； 但反應時間繼續延長，產物的季銨鹽取代度反而降低. 這是由于取代反應時間延長使Schiff-CTS的接枝鏈不斷增長，反應體系黏度增大，不易與GTA接觸反應，且反應時間延長易引起GTA水解，造成兩者的取代反應效率降低.

Fig.1 Effects of different reaction conditions on the degree of substitution of quaternary ammonium salt for chitosan(A) w(NaOH)=0.2%, reaction temperature was 80 ℃, reaction time was 3 h; (B) w(NaOH)=0.2%, n(Schiff-CTS)∶n(GTA)=1∶3,reaction time was 3 h; (C) n(Schiff-CTS)∶n(GTA)=1∶3, reaction temperature was 80 ℃, reaction time was 3 h; (D) w(NaOH)=0.2%, n(Schiff-CTS)∶n(GTA)=1∶3, reaction temperature was 80 ℃.

高碘酸鉀在氧化O-HACC的過程中能劈斷季銨鹽殼聚糖的吡喃糖環中的C2—C3鍵［18～20］，使C2位和C3位上相鄰的氨基和羥基選擇性氧化成醛基，得到雙醛基季銨鹽氧化殼聚糖（O-HAOCC）. 由圖2可知，隨著氧化時間的延長，不同濃度氧化劑處理的O-HAOCC的醛基含量逐漸增多，而氧化產物收率不斷減少，且相同時間下8 g/L 的KIO4氧化的季銨鹽殼聚糖的醛基含量明顯高于4 g/L 的KIO4氧化的產物，但其氧化產物的收率下降較大，8 g/L KIO4氧化3 h 的O-HAOCC 收率已不到74%，而4 g/L KIO4氧化3 h的產物收率較高（88.67%）. 這是由于KIO4選擇性氧化反應中，季銨鹽殼聚糖的葡萄糖苷鍵會發生氧化降解等副反應［18］，從而對產物收率產生顯著影響，增加氧化劑濃度及氧化時間，季銨鹽殼聚糖的降解反應加快，產物收率降低嚴重. 因此，選擇4 g/L的KIO4對O-HACC進行局部有限氧化，氧化時間在1～3 h，可得到醛基含量為0.134～0.692 mmol/g（每100 個O-HACC 葡萄糖單元中有2～10 個被氧化）、 產物收率為88.67%～97.21%的O-HAOCC.O-HAOCC分子中的活性醛基在酸性條件下可與纖維素纖維的羥基［16，19］或蛋白質纖維的氨基［20］分別發生交聯反應，能用于纖維材料的持久抗菌，且O-HAOCC中仍含有大量的陽離子氨基，保持了殼聚糖的天然抑菌性，故O-HAOCC具有季銨鹽與陽離子氨基的雙重抗菌活性.

Fig.2 Effects of oxidation concentration and time of KIO4 on the degree of oxidation and yield of O-HAOCCThe O-HACC used was O-HACC-0.2-1/3-80-3.

2.2 結構與形貌表征

圖3 為O-HAOCC 合成過程中每個階段產物的FTIR 譜圖. 與CTS 的紅外譜圖相比，Schiff-CTS 和Schiff-HACC分別在724.1，763.2及1580.8 cm-1處出現芳環鄰二取代的特征雙吸收峰和苯環骨架伸縮振動峰，且在1644.6 cm-1處存在γC=N的強吸收峰，說明香草醛已在殼聚糖的C2位形成了席夫堿結合.而Schiff-HACC 和O-HACC 均在1518.4 cm-1附近出現了明顯的季銨鹽基團甲基的δC—H特征峰，表明在殼聚糖C6 位上成功接枝了季銨鹽側鏈. 同時，O-HACC 紅外譜線中的苯環特征峰全部消失，位于1644 cm-1處的席夫堿吸收帶顯著減弱，表明Schiff-HACC經鹽酸乙醇溶液處理后脫除了香草醛苯環，且在1518.4 和1590.6 cm-1處分別出現對應季銨鹽基團與酰胺II 的βN—H振動峰，這進一步證明席夫堿能有效保護CTS 的C2 位氨基并方便去除保護基，從而在殼聚糖的C6 位上引入季銨鹽. 此外，圖3 顯示O-HAOCC在1737.2和2846.1 cm-1位置分別存在歸屬于醛基的νC=O和νC—H振動峰，且在895.2 cm-1處出現半縮醛特征譜帶，同時季銨鹽特征峰偏移到1520.3 cm-1附近，說明KIO4選擇性氧化已在O-HAOCC分子中產生活性醛基.

Fig.3 FTIR spectra of products at each synthesis stage of O-HAOCCa. CTS； b. Schiff-CTS； c. Schiff-HACC-0.2-1/3-80-3；d. O-HACC-0.2-1/3-80-3； e. O-HAOCC-4-3.

通過XRD 研究CTS，O-HACC 與O-HAOCC 的物相結構. 由圖4 可以看出，CTS 在2θ=10.78°和20.11°位置出現2 個明顯的衍射峰，分別歸屬于殼聚糖結晶形態I和Ⅱ的（100）晶面［14］. 在O-HACC 的XRD譜中，2θ=10°附近的衍射峰已基本消失，同時2θ=20°附近的衍射峰強度下降較大，表明殼聚糖兩種晶型中分子鏈的規整程度不同，其中結晶態I更易遭到破壞，且殼聚糖的C6位羥基接枝季銨鹽基團后，側鏈的位阻增大，形成氫鍵的能力降低，導致一部分結晶型轉變成無定形. 而O-HAOCC在2θ=10°附近的衍射峰完全消失，且在2θ=20°附近的衍射峰也減弱并且寬化，這說明KIO4選擇性氧化使OHACC的C2—C3鍵斷裂發生開環反應［18］，削弱了殼聚糖分子間的氫鍵作用，造成O-HAOCC 的晶體結構破壞和內部結構疏松，即表現出O-HAOCC水溶性極大提高.

Fig.4 XRD patterns of products at each synthesis stage of O-HAOCCa. CTS； b. Schiff-CTS； c. Schiff-HACC-0.2-1/3-80-3；d. O-HACC-0.2-1/3-80-3； e. O-HAOCC-4-3.

圖5 為殼聚糖及其衍生物的1H NMR 譜圖. 在δ2.98 處為CTS 上與氨基相連的C2 上的質子峰，δ3.45～3.90處為CTS糖環上C3，C4，C5和C6的質子峰.O-HACC在δ3.14附近出現了明顯的強峰，歸屬于季銨鹽基團—N+（CH3）3，且在δ2.05處出現了C2位的—NH2質子峰，表明通過席夫堿保護CTS的C2位氨基，在其C6位—OH上引入了GTA側鏈； 同時O-HACC在δ7.42和7.23處香草醛苯環的質子峰消失，說明實驗過程中HCl乙醇溶液已將Schiff-HACC中香草醛在殼聚糖C2位形成的席夫堿保護完全脫除. 而經KIO4氧化反應后，O-HAOCC 在δ2.05 處—NH2質子峰和δ2.98 處C2 位質子峰的峰面積均有較大幅度下降，這是由于O-HACC分子中C2和C3位上的部分氨基、 羥基被KIO4選擇性氧化； 此外，與O-HACC 的1H NMR 譜圖比較，O-HAOCC 在δ2.48，2.73，3.14 和4.23 附近對應于季銨鹽基團中各碳位上的質子峰發生偏移，可能是因為氧化后的O-HAOCC 分子中的化學環境改變所致，這也被紅外分析所證實.

Fig.5 1H NMR spectra of CTS(a), O-HACC-0.2-1/3-80-3(b) and O-HAOCC-4-3(c)

圖6示出了CTS，O-HACC和O-HAOCC的DSC曲線. 所有樣品均在68～125 ℃范圍存在一個較寬的吸熱峰，主要與樣品中結合水的蒸發有關. 由圖6譜線b～f可知，O-HACC和O-HAOCC的水吸熱峰面積比CTS 增大，表明引入親水性的季銨鹽基團和醛基均可增強殼聚糖對水分子的吸附能力. 殼聚糖的DSC曲線在272～360 ℃區間有一個較強的分解放熱峰，反映了CTS的熱穩定性能. 隨著殼聚糖季銨鹽取代度從0增加到86.35%，O-HACC的放熱吸收峰從303.4 ℃逐漸降低到206.8 ℃，且放熱峰面積也減小，這是因為較大位阻的GTA分子接枝到殼聚糖C6位，造成O-HACC分子間氫鍵力的破壞，減少了分子結晶形態，這與XRD 分析結果相一致. 另外，隨著KIO4氧化時間延長，O-HAOCC 的DSC 曲線e和f中的吸收峰起伏較多，熱分解模型變得復雜，放熱峰位置進一步下降到198.5 ℃（氧化3 h）和186.2 ℃（氧化6 h），說明季銨鹽殼聚糖氧化中發生了吡喃糖環的開環反應，其結晶結構被削弱，同時氧化降解副反應導致O-HAOCC的分子量減小和分子間氫鍵結合減弱，從而使氧化產物的熱分解能和熱穩定性降低.

Fig.6 DSC curves of CTS(a), O-HACC-0.2-1/3-40-3(b)and O-HACC-0.2-1/3-80-3(c), O-HAOCC-4-1(d),O-HAOCC-4-3(e) and O-HAOCC-4-6(f)

圖7 為CTS，O-HACC 與O-HAOCC 的SEM 照片. 大分子CTS 是單斜晶系的β-殼聚糖，其表面較光滑，晶型結構完整［圖7（A）］. 隨著季銨鹽取代度的提高，O-HACC 的表面結構變得疏松，出現了較多的空隙結構［圖7（B），（C）］. 從圖7（D）～（F）可以看出，O-HAOCC顆粒邊界逐漸模糊，表面出現結構坍陷，部分區域呈彌散狀態； 隨著氧化度增大，O-HAOCC表面形成更多的溝壑孔洞結構，顆粒的松散程度增加［圖7（F）］，這可能是由于KIO4選擇性氧化反應破壞季銨鹽殼聚糖的結晶形態所致［16，18］，這與XRD和熱分析結果相符合.

Fig.7 SEM images of CTS(A), O-HACC-0.2-1/3-40-3(B) and O-HACC-0.2-1/3-80-3(C),O-HAOCC-4-1(D), O-HAOCC-4-3(E) and O-HAOCC-4-6(F)

2.3 O-季銨鹽氧化殼聚糖性能分析

2.3.1 水溶性和分子量 表1 為不同取代度的O-HACC 和不同氧化度的O-HAOCC 的水溶性及黏均分子量數據. 由表1可以看出，隨著取代度提高，在殼聚糖C6位上接枝的親水性季銨鹽基團增多，同時破壞了分子間氫鍵作用，水分子容易進入，故O-HACC具有良好的水溶性，且接枝季銨鹽后的O-HACC分子量有所降低. KIO4選擇性氧化的季銨鹽殼聚糖黏均分子量下降較大，氧化8 h 的分子量降低到1.04×105，表明氧化時間延長，O-HACC分子鏈的氧化降解明顯加快，但O-HAOCC在水中的溶解度增加，氧化6 h的O-HAOCC水溶性達到279 g/L，這是由于KIO4氧化反應一定程度上破壞了季銨鹽殼聚糖的晶體結構［22］，O-HAOCC的內部結構更加松散，且分子量減小削弱了氫鍵結合力，因而水溶性極大提高； 但過度氧化可能產生副產物，導致氧化8 h的O-HAOCC溶解度略有降低.

Table 1 Water solubility and molecular weight of O-HACC with different DS and O-HAOCC after oxidation with 4 g/L KIO4 for different time

2.3.2 抗氧化性能 將樣品與ABTS·+溶液反應使其褪色，測試734 nm處的特征吸光度值，得到ABTS·+自由基清除率曲線（圖8）. 反應5 min 時，CTS 的自由基清除率不到5%，抗氧化性弱； 而O-HACC 與O-HAOCC的自由基清除率分別達到44.11%和29.03%～41.15%，具有較強的抗氧化能力. 3種抗氧化劑的ABTS·+自由基清除率均隨時間的延長而逐漸增加，但CTS 的抗氧化性能提高緩慢，40 min 的ABTS·+自由基清除率只有18.13%，此時取代度為86.35%的O-HACC和氧化3 h的O-HAOCC的ABTS·+自由基清除率分別高達71.21%和65.58%，ABTS·+反應液溶液明顯褪色，紫外吸收峰急劇減弱； 然而氧化時間達到6 h時，O-HAOCC的ABTS·+自由基清除率降低至48.96%.

Fig.8 ABTS·+ radical scavenging activity(A) and UV absorption spectra(B) of ABTS solution after 40 min reaction with CTS(a), O-HACC-0.2-1/3-80-3(b), O-HAOCC-4-1(c), O-HAOCC-4-3(d)and O-HAOCC-4-6(e)（B） f. control. The inset shows the color change of ABTS·+ solution（f） after 40 min reaction with CTS（a），O-HACC-0.2-1/3-80-3（b），O-HAOCC-4-1（c），O-HAOCC-4-3（d） and O-HAOCC-4-6（e）.

CTS，O-HACC 和O-HAOCC 中均存在伯氨基，具有較強的供電子能力，ABTS·+自由基能將氨基氧化成—C=NH，而O-HACC 和O-HAOCC 兩種殼聚糖衍生物中都有季銨鹽結構，其分子聚陽離子性比CTS增強，自由基清除率明顯高于CTS［27］，兩種殼聚糖衍生物的抗氧化活性提高間接地表明殼聚糖在堿性條件下接枝上季銨鹽基團. 另外，KIO4短時間氧化（≤3 h）只是將O-HACC分子中小部分的C2-NH2和C3-OH氧化為醛基，不會對O-HAOCC的抗氧化能力造成明顯影響，但長時間氧化會使O-HACC中的羥基和氨基數目大量減少，導致其自由基清除率下降較大，這也進一步證明了經KIO4氧化后，季銨鹽殼聚糖中生成了醛基.

2.4 O-HAOCC改性棉織物的制備與表征

圖9 示出了不同質量濃度O-HAOCC 處理的改性棉織物的含氮量和接枝率. 由圖9 可見，隨著O-HAOCC濃度的提高，改性棉織物的含氮量和接枝率逐漸增加，當O-HAOCC的質量分數為2%時，改性棉織物的含氮量與接枝率分別達到0.84%和9.84%，而后隨O-HAOCC 濃度進一步增大，改性織物的接枝率及含氮量增加緩慢，這表明棉織物上的反應位點有限，隨著O-HAOCC添加量增多，接枝反應趨于飽和. 為了分析O-HAOCC與棉織物形成化學鍵接枝情況，對改性棉織物進行紅外光譜測試，結果如圖10 所示. 與原棉織物相比，接枝O-HAOCC 后的棉織物在1720.8 和2852.5 cm-1附近分別出現了O-HAOCC 中醛基C=O 和C—H 的伸縮振動峰，在1525.4 cm-1處出現O-HAOCC 的N—H 彎曲振動峰，且在1461.6 cm-1處出現季銨鹽基團的C—H彎曲振動峰，說明O-HAOCC 成功接枝到棉織物上； 同時，隨著O-HAOCC接枝率的增加，改性棉織物在893.4 cm-1附近的半縮醛吸收峰強度增大，進一步表明棉織物中的羥基與O-HAOCC分子中的醛基發生半縮醛反應［19，26］，O-HAOCC通過半縮醛化學鍵與棉織物交聯結合.

Fig.9 Effect of O-HAOCC mass concentration(w, %)on graft ratio(a) and nitrogen content(b) of modified cotton fabric

Fig.10 FTIR spectra of cotton fabric(a) and O-HAOCC modified cotton fabric with graft ratio of 4.81%(b), 9.84%(c) and 10.95%(d)

圖11是原棉和不同接枝率O-HAOCC改性棉織物的SEM照片. 由圖11可知，原棉纖維存在天然扭曲，表面較粗糙. 經過O-HAOCC接枝處理后，棉纖維呈現出不同形貌，表面附著有片狀物，在接枝率達到9.84%時，棉纖維表面形成均勻薄膜，且有部分纖維粘合在在一起［圖11（C）］； 但隨著接枝率繼續增加，O-HAOCC 會在織物表面形成大面積的交聯膜，可能影響織物的使用舒適性［圖11（D）］. 同時，通過EDS能譜分析可知，原棉織物中只含有C和O元素，而O-HAOCC改性棉織物上除了C和O元素外，還存在N和Cl兩種元素，且兩種元素含量隨O-HAOCC接枝率提高而增加，說明O-HAOCC成功接枝到棉織物上.

Fig.11 SEM images(A1—D1, A2—D2) and EDS analysis(E—H) of cotton fabric(A1, A2, E) and O-HAOCC modified cotton fabric with graft ratio of 4.81%(B1, B2, F), 9.84%(C1, C2, G) and 10.95%(D1, D2, H)

2.5 改性棉織物的服用性能

表2為不同接枝率改性棉織物的服用性能測試數據. 從表2可以看出，O-HAOCC改性棉織物的斷裂強力呈現增加趨勢，可能是O-HAOCC 分子與棉纖維發生接枝反應，使改性棉纖維分子間作用力增強所致. 改性棉織物的毛細效應隨著接枝率的增大而提高，在接枝率為9.84%時上升了36.63%，這是因為表面接枝O-HAOCC 的棉織物中含有更多的季銨鹽和氨基、 醛基等親水性基團，對水分子的吸附能力顯著提升. 而O-HAOCC 改性棉織物的白度隨接枝率增加而有較大下降，且實驗中發現改性棉織物的顏色從白色變成淡黃色，這是由于O-HAOCC 本身顏色是淡黃色，用其改性導致改性棉織物白度降低. 經O-HAOCC 處理后的棉織物折皺回復角明顯增大，接枝率9.84%的改性棉織物折皺回復角提高了43.06°，說明O-HAOCC 與棉纖維形成半縮醛交聯，可在一定程度上增加改性棉織物的抗折皺性能.

Table 2 Changes in wearability of O-HAOCC modified cotton fabric

表3為本文制備的改性棉織物與文獻［19，20］中樣品的服用性能對比數據. 從表3可以看出，實驗制備的改性棉織物擁有更優良的服用性能，其斷裂強力、 折皺回復角和毛細效應提升更顯著，在實際使用中改性棉織物舒適度及耐用性更好.

Table 3 The wearability of different materials

2.6 改性棉織物的抗菌性能

為了考察O-HAOCC改性棉織物的抗菌活性，采用美國AATCC Test Method 100-1999方法對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌兩種細菌進行定量抗菌測試，表4示出不同接枝率的改性棉織物的抗菌率數據.由表4可知，原棉織物上繁殖了大量細菌菌落，對S. aureus和E. coli幾乎沒有抗菌作用. 而O-HAOCC改性棉織物具有較強的抗菌效果，其中接枝率9.84%的改性棉織物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌率分別高達98.63%與93.38%，且水洗50次后的改性棉織物仍保持了較高的了抗菌率（≥90.76%）達到FZ/T 73023-2006《抗菌針織品》的3A 級抗菌標準，表現出優異的抗菌耐洗滌性能. 這是因為O-HAOCC分子中含有聚陽離子氨基與季銨鹽雙重抗菌基團，同時O-HAOCC借助半縮醛化學鍵牢固接枝在棉織物表面，從而使改性棉織物擁有更強的持久抗菌能力.

Table 4 Survival colony count(CFU/mL) and antibacterial rate(%，in parentheses) of cotton fabric before and after O-HAOCC modification

3 結 論

通過對殼聚糖的C2 位用席夫堿保護，并在其C6 位接枝季銨鹽制備出O-HACC，然后利用KIO4局部選擇性氧化O-HACC 的C2 和C3 位基團得到O-HAOCC.O-HAOCC 保持了殼聚糖的氨基和天然抗菌性，具有季銨鹽和陽離子氨基的雙重抗菌活性，同時生成了可與纖維化學鍵合的活性醛基. 季銨鹽氧化殼聚糖的優化制備工藝為： Schiff-CTS 與GTA 摩爾比為1∶3，反應溫度為80 ℃，NaOH 質量分數為0.2%，反應時間為3 h，KIO4濃度為4 g/L，氧化時間為3 h. FTIR，XRD，1H NMR，SEM和DSC等分析顯示，季銨鹽基團成功接枝在殼聚糖C6 位，且O-HACC 的部分C2 和C3 位形成醛基，O-HACC 與O-HAOCC 內部結構變得松散，熱穩定性降低. 4 g/L KIO4氧化6 h的O-HAOCC 水溶性達到279 g/L，拓展了應用范圍； 合成的O-HACC 和O-HAOCC 的均含有季銨鹽結構和氨基，其自由基清除率分別為71.21%和65.58%，抗氧化能力較強. 當O-HAOCC 質量分數為2%、 反應時間為2 h 和接枝溫度為80 ℃時，改性棉織物中的O-HAOCC 接枝率達到9.84%，O-HAOCC 與棉織物形成半縮醛化學鍵結合，O-HAOCC改性棉織物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌率分別為98.63%和93.38%，水洗50次后的抗菌率仍在90.75%以上，可作為持久抗菌紡織材料而廣泛應用.