壳聚糖(Chitosan，CS)是天然多糖中唯一带正电荷的碱性多糖，具有优异的生物相容性、抗菌、消炎、免疫和抗肿瘤活性等，而且原料来源丰富，已广泛应用于水处理、生物医学材料、抗菌纺织品、生物降解薄膜以及农业生产等领域^[1-7]。将壳聚糖加工成微米级甚至纳米级超细粉体，可以作为药物载体使用，或者添加到湿法纺丝纤维的溶液中制备抗菌功能性纤维，其化学活性、吸附性以及抗菌性能将更加优异。目前，多采用离子凝胶法等化学方法制备壳聚糖纳米粉体^[8-16]，存在工艺复杂、产量低、成本高、产品中有化学残留等问题，而且环境污染严重，甚至可能影响壳聚糖的抗菌及其他性能。采用机械球磨法制备壳聚糖微米级超细粉体，是通过罐体快速多维摆动式运动，锆珠和物料在罐内产生多向不规则撞击而使物料破碎。这些被破碎的物料粉体在继续冲击磨粉碎过程中再次破碎，如此反复，使物料颗粒均匀的细化。机械球磨法制备壳聚糖微米级粉体可以克服化学存在的弊端，但是，壳聚糖颗粒粉碎后，其比表面积增加，表面能增大，颗粒之间会发生团聚，难以得到微米级超细粉体。如果在壳聚糖机械球磨粉碎过程中加入过程控制剂(Process Control Agent，PCA)，则可以避免机械球磨过程中因冷焊作用而造成的粉体粘球、粘罐现象，同时避免或减缓粉体的结块团聚^[17-19]。本工作从制备壳聚糖微米级粉体的工艺要求出发，分别以蒸馏水和无水乙醇作为PCA，采用机械球磨法制备壳聚糖超细粉体，通过激光粒度分析仪、扫描电子显微镜、红外光谱仪、X射线衍射仪和热重分析仪等手段，探究PCA的类型和用量对壳聚糖微细粉体的粒径分布、微观形貌、结构以及性能的影响。

1 实验材料与方法 1.1 实验原料

壳聚糖：黏均分子量为11.91×10⁵，脱乙酰度为90%，片状，青岛云宙生化有限公司；无水乙醇、氯化钠、醋酸：分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 壳聚糖微细粉体的制备

将片状的壳聚糖原料装入CJM-SY-A型高能纳米冲击磨的料罐中,采用直径为8mm的锆珠，球料比为2:1，冲击磨转速为400r/min，功率为4kW，处理时间为2h，由此制得壳聚糖微细粉体。

壳聚糖片状原料命名为CS₀，未添加PCA制得的粉体命名为CS₁，采用蒸馏水(蒸馏水的体积(mL)/壳聚糖质量(g)=0.5)为PCA制得的粉体命名为CS₂；以乙醇为PCA，采用4种添加量(乙醇的体积(mL)/壳聚糖质量(g)= 0.25，0.5，0.75，1.0)制得的粉体分别命名为CS₃₁，CS₃₂，CS₃₃，CS₃₄。

1.3 壳聚糖微细粉体的产率

将细化后的壳聚糖粉体从罐体中取出，称重，记为M；然后采用100(154μm)，240(61μm)，300(48μm)，800目(20μm)和2000目(6μm)的筛网进行逐级筛分，2000目筛网筛选出的粉体作为最终样品，称重，记为m，按照式(1)计算样品的产率w。

$w = \frac{m}{M} \times 100\% $

(1)

1.4 粉体的粒径分布及形貌观察

称取0.5g聚山梨酯-80表面活性剂，添加到100mL乙醇中搅拌溶解，边超声边将称取的1g壳聚糖样品添加到上述溶液中，超声处理1h，然后将悬浮液静置30min，以不产生沉淀为宜。采用Nanotrac激光粒径分析仪测试样品的粒径分布。

将上述溶液倒入培养皿中自然风干，然后双面胶带粘取少量壳聚糖粉体，采用JSM-6510LA 扫描电子显微镜观察样品的SEM形貌。

1.5 粉体的结构与性能表征

采用TENSOR 27 红外光谱仪，通过压片法测试样品的红外光谱；采用DMAXRB-Ⅱ X射线衍射仪测试样品的结晶结构；采用TG 209 热重分析仪测试样品的热稳定性；采用黏度法测试壳聚糖的黏均分子量M_η，每个样品测试3次取平均值^[20]。

2 结果与分析 2.1 PCA对粉体产率的影响

采用不同的PCA制备壳聚糖微细粉体，所得样品的产率如图 1所示。可以看出，不添加PCA时壳聚糖微细粉体的产率为25%，采用蒸馏水为PCA时其产率反而明显下降，而采用乙醇为PCA时其产率则大幅提高。这是因为采用乙醇为PCA时，乙醇分子能够吸附在壳聚糖粉体的表面，并渗透到壳聚糖粉体的裂缝处甚至粉体的内部，拆散或削弱壳聚糖分子之间的作用力，加速颗粒的细化；另外，吸附在壳聚糖粉体表面的PCA形成一层液体保护膜，阻碍细化后颗粒的直接接触，削弱颗粒间的分子作用力，而且降低了粉体颗粒的表面能，从而避免细化后粉体的重新团聚。但是，采用蒸馏水为PCA时，由于水分子的极性比较强，对细化后的壳聚糖粉体有较弱的溶胀作用，甚至对球磨时产生的分子量较小的壳聚糖有溶解作用，把壳聚糖粉体黏结在一起，不利于粉体的细化。采用乙醇为PCA时，得到的壳聚糖微细粉体蓬松，而且罐壁和锆珠表面均较光洁，无粉体黏附现象；而采用蒸馏水为PCA时，得到的壳聚糖粉体密实，且罐壁和锆珠表面存在严重的粉体黏附，这种现象亦验证了上述两种作用的存在。

另外，从图 1可以看出，随着乙醇用量的增加，壳聚糖粉体的产率呈现先增加后降低的趋势，当乙醇的用量达到0.75mL/g时，壳聚糖超细粉体的产率最高，达到94.7%。这是因为乙醇分子能够在壳聚糖粉体的表面形成一层保护膜，当膜壁太厚时，将减弱锆珠对粉体的冲击作用，导致粉体不能进一步细化，产率下降。PCA用量适中时，在粉末、罐壁、磨球表面均形成一层保护膜，可以缓冲碰撞时产生的能量，调整冷焊与破碎间的平衡，从而起到过程控制的作用^[21]。

2.2 PCA用量对粉体粒径分布的影响

采用乙醇为PCA制备壳聚糖微细粉体，然后逐级筛分，并测试2000目筛网筛分后样品的粒径分布，结果如图 2所示。可以看出，壳聚糖微细粉体的粒径分布均匀，分散性较好。但是，随着PCA用量的增加，粉体的粒径分布变宽，颗粒粒径变大。4种壳聚糖粉体的D₅₀分别为233，352，824nm和834nm，D₉₀分别为736，1105，1629nm和1650nm。这是因为随着乙醇用量的增加，吸附在壳聚糖表面的液膜厚度逐渐增加，锆珠对壳聚糖的冲击力被液膜阻隔和部分吸收，导致壳聚糖受到的锆珠冲击作用减弱，造成壳聚糖破碎后形成的粉体的颗粒较大，粒径增加，且分布范围变宽。当乙醇的用量为0.75mL/g时，这种减弱作用并不明显，此时制备的壳聚糖粉体粒径范围为0.72～6.54μm，而常用的纺丝喷丝头的孔径尺寸≥70μm，因此仍能满足纺丝加工的要求，在纺丝过程中壳聚糖颗粒不会堵塞喷丝头。

2.3 PCA对粉体SEM形貌的影响

壳聚糖原料及采用不同PCA制备的壳聚糖微细粉体的SEM形貌如图 3所示。可以看出，壳聚糖原料为不规则的片状或棒状，颗粒尺寸为400～1000μm，粉碎后壳聚糖粉体颗粒的尺寸明显变小，但不同PCA制备的样品形貌和颗粒尺寸差别较大。无PCA或蒸馏水作为PCA时，制备的CS粉体颗粒的粒径分布较宽，既有粒径在几个微米甚至更小的颗粒，也有较多粒径≥100μm的颗粒；且CS粉体的形状多为不规则的片状、块状，结构疏松，单个颗粒中有较多的孔隙和裂缝，与揉皱的纸团的外观类似，说明这些大的颗粒是由破碎后的颗粒重新堆积、黏结而成。无水乙醇为PCA时，粉体颗粒的粒径分布范围相对较窄，且粒径明显减小，相同放大倍数下，视野内颗粒的数量明显增大。CS₃₃壳聚糖微细粉体SEM形貌如图 4所示。可以看出，无水乙醇为PCA时，仍然存在少量粒径为几微米的颗粒。细化后的壳聚糖粉体颗粒为不规则的块状，具有类似片岩的结构，结构密实。采用机械球磨法制备壳聚糖微细粉体，原料在锆珠的撞击作用下，发生破裂，剥离形成许多不规则的碎片，添加乙醇为PCA可以避免破碎后的粉体重新黏结和堆积成大颗粒，从而将制备的壳聚糖粉体颗粒的粒径控制在恰当的范围内。

2.4 PCA对粉体黏均分子量的影响

壳聚糖原料及采用不同PCA制备的壳聚糖微细粉体的黏均分子量如图 5所示。可以看出，壳聚糖粉体的黏均分子量均发生不同程度的降低。这是因为在锆珠强烈的冲击、剪切和挤压等作用下，壳聚糖大分子之间的作用力被拆散，使得粉体逐步细化，与此同时这种强烈的作用可能导致壳聚糖大分子的部分链段断裂，分子量降低。由于不添加PCA或采用蒸馏水为PCA时，壳聚糖粉体的粒径较大，所以能够耐受的锆珠冲击力较强，在球磨破碎形成微细粉体的过程中，壳聚糖大分子遭受破坏发生断裂的几率减少。因此，相对而言，采用乙醇为PCA时，制备的壳聚糖粉体的分子量下降的最多，降低了23%。

2.5 粉体的红外光谱

壳聚糖原料及采用不同PCA制备的壳聚糖微细粉体的红外光谱如图 6所示。可以看出，采用不同的PCA细化得到的壳聚糖粉体，其红外光谱均与原料壳聚糖的谱图基本一致，均未产生新的吸收峰，也没有吸收峰的消失，这表明壳聚糖的粉碎细化是一个物理过程，在这个过程中壳聚糖大分子之间，以及壳聚糖大分子与PCA之间均未发生化学反应。

壳聚糖的红外光谱图中，2960～2840cm^-1处的C-H伸缩振动吸收带和655cm^-1处的吸收峰可用来判断壳聚糖结晶状态的变化，壳聚糖结晶度的降低会导致C-H伸缩振动峰向高波数移动^[22]。从图 6可知，CS₀的C-H伸缩振动峰为2874cm^-1，而CS₁，CS₂，CS₃₃的C-H伸缩振动峰分别为2879，2887，2892cm^-1，且655cm^-1处的吸收峰也有向高波数移动的趋势，表明制备的壳聚糖粉体的结晶度有所降低。从图 6还可以看出，1074cm^-1处的振动吸收峰略微变宽，表明部分壳聚糖大分子的β-糖苷键发生了部分断裂，所以制备的壳聚糖粉体的分子量亦有所降低。

2.6 粉体的结晶结构

壳聚糖原料及采用不同PCA制备的壳聚糖微细粉体的X射线衍射如图 7所示。可以看出，壳聚糖原料在2θ为19.96°处有明显的衍射吸收峰，在2θ为10.7°处有1个较小的衍射吸收峰，说明在原料壳聚糖分子链内存在一定的晶体结构。

而粉碎细化后，壳聚糖粉体在上述两处的衍射尖峰明显较弱，特别是CS₁和CS₃₃在2θ为10.7°处的衍射峰接近消失，变成了1个馒头峰，成为无定形结构的衍射曲线。由此可以看出，粉碎细化过程中，在锆珠的冲击、剪切和挤压等作用下，壳聚糖大分子原有的晶态结构被破坏，而且粉体的粒径越细小，结晶结构破坏的程度越严重，结晶度越低，这与红外光谱的结论相一致。

2.7 粉体的热性能

壳聚糖原料及采用不同PCA制备的壳聚糖微细粉体的TG，DTG曲线如图 8，9所示。从图 8和图 9可以看出，原料壳聚糖和粉碎细化后的壳聚糖粉体的热分解曲线相近。在实验温度范围(50～800℃)内壳聚糖原料及其细化后粉体的热分解均为两个阶段：初始裂解阶段(50～200℃)和主体裂解阶段(200～800℃)；4种壳聚糖粉体的初始分解温度(定义为质量损失为5%时的温度)均在270℃左右，最大热分解温度均在300℃左右。4种壳聚糖粉体在300℃之前的热分解曲线完全重合，但是300℃之后的热分解曲线稍有差异。CS₀的最大热分解速率R_max(最大热分解温度对应的分解速率)为1.52%/min，而CS₁，CS₂，CS₃₃的R_max分别为1.26，1.24，1.34%/min；在800℃时CS₀的残炭量为34.24%，而CS₁，CS₂，CS₃₃的残炭量分别为31.47%，34.71%，28.23%。由此可知，在高温阶段(200～800℃)制备的壳聚糖粉体的热性能均变差。粉体的热稳定性能与其结晶度和分子量成正比，分子量越大，结晶度越高，分子间的作用力越大，热稳定性越优异，所以粉体CS₂的热稳性接近于原料壳聚糖，而粉体CS₃₃的热稳性最差。

3 结论

(1) 分别以蒸馏水、无水乙醇为PCA，采用机械球磨法制备了壳聚糖微细粉体。采用无水乙醇为PCA效果最好，制备的壳聚糖粉体蓬松，而且罐壁和锆珠表面均较光洁，无粉体黏附现象。当无水乙醇的用量达到0.75mL/g时，壳聚糖超细粉体的产率最高，达到94.7%。

(2) 采用无水乙醇为PCA制备壳聚糖微细粉体时，随着无水乙醇用量的增加，壳聚糖粉体颗粒的粒径增加，粒径分布范围变宽。无水乙醇的最佳用量为0.75mL/g，制备的壳聚糖粉体粒径范围为0.72～6.54μm，壳聚糖粉体的D₅₀为824nm，D₉₀为1629nm，能满足纺丝加工的要求。

(3) 无PCA或蒸馏水为PCA时，制备的壳聚糖粉体的形状多为不规则的片状、块状，结构疏松，单个颗粒中有较多的孔隙和裂缝，与揉皱的纸团的外观类似。无水乙醇为PCA时，可以避免破碎后的粉体重新黏结和堆积成大颗粒，制备的壳聚糖粉体具有类似片岩的结构，结构密实。

(4) 无水乙醇为PCA时，制备的壳聚糖微细粉体的大分子链发生了部分断裂，黏均分子量下降了23%，结晶结构受到部分破坏，结晶度降低，热稳性变差。