《Journal of Bioresources and Bioproducts》：Advances in Manufacturing Sustainable Textile Fibers from Chitin and its Derivatives: Spinning Methods, Fiber Functional Properties, Biodegradability, and Environmental Impacts
当前大多数纺织品由不可再生、不可生物降解的合成纤维制成，这些纤维是微塑料（MP）污染的来源。可生物降解的天然纤维替代品不仅产量有限，而且能耗和水耗高，碳足迹大。甲壳素因其储量丰富、可生物降解以及诸多有益的功能特性，在替代不可生物降解的合成聚合物用于纺织纤维制造方面具有巨大潜力。尽管储量丰富，但由于其不溶性和性能问题，甲壳素在纺织纤维制造中的应用受到限制。利用甲壳素衍生物纺制纺织纤维的研究主要通过湿法纺丝和干喷湿法纺丝方法进行，使用了一系列溶剂（包括离子液体（ILs））、纺丝原液添加剂（其他聚合物、纳米颗粒）以及各种凝固浴，这些措施显著提高了纤维的性能和功能。近期进展使得无需任何衍生化处理即可通过凝胶纺丝直接从甲壳素制造纤维，所产纤维的强度可与多种天然纤维相媲美。本综述讨论了甲壳素及其衍生物作为成纤聚合物、纺丝方法、所使用的各种溶剂、纺丝方法、纤维交联以及纺丝原液添加剂，以增强所得纤维的机械和功能性能。讨论还包括甲壳素纤维的毒性和生物降解、碳足迹以及推进其向可持续纤维生产应用发展的未来方向。本综述文章的主要局限性在于仅考虑了已发表的同行评审期刊文章，而未包含专利说明书。已发表文章中讨论甲壳素及其衍生物所产纤维结构-性能关系的数量有限。由于不同研究团队使用的条件不同，难以对通过不同方法生产的纤维的各种性能进行真正的比较。通过选择合适的甲壳素及其衍生物来源，可以制造出强度可与许多天然纤维相媲美的纺织纤维。
1. 引言
服装是人类生活不可或缺的一部分，保护我们免受灰尘、微生物侵袭、炎热、寒冷和光照等各种不利因素的影响。2024年全球纺织纤维产量达到约1.32亿吨，其中约77%由石油基聚合物制成。涤纶因其成本低且具有高强度、长寿命、易染色和良好疏水性等许多有益特性，80多年来一直是纺织制造中使用最广泛的纤维。由不可生物降解的合成纤维（如涤纶）制成的纺织品是向环境释放微塑料（MP）的潜在来源，这现已成为一个全球性的环境问题。其他流行的合成纤维包括尼龙、腈纶和聚丙烯，由这些纤维制成的纺织品在洗涤过程中以及使用寿命结束处置后也可能释放微塑料。许多合成纤维的消费后废弃物以及未使用或未售出的纺织品最终被填埋或焚烧，污染土壤、水和空气。快时尚趋势加剧了这一问题，因为许多由涤纶纤维制成的低成本、低质量产品与较高质量的产品相比被更频繁地丢弃，并且它们在最初几次洗涤时会脱落大量纤维碎片。一系列可生物降解的聚酯纤维已被开发出来，但在性能方面它们完全无法与涤纶和聚酰胺纤维相媲美，并且它们也存在许多加工困难以及性能和成本问题。因此，它们在纺织制造中的应用非常有限。
有必要通过用可生物降解的生物基纤维替代合成纤维来减轻纺织品中的微塑料释放，并使纺织纤维制造脱碳。然而，增加天然纤维的产量将需要大量的农田，威胁全球粮食安全。一系列生物基原料，包括农业废弃物，已被研究用于纤维生产。然而，它们只能满足一小部分需求，主要是因为它们储量不丰富且加工困难。大多数天然纤维强度较弱，由它们制成的织物不如合成纤维制成的织物耐用。在这种背景下，储量丰富、可生物降解的甲壳素（从废弃生物质中提取，全球年产量约1万亿吨）作为纤维制造原料极具吸引力。甲壳素可生物降解、生物相容且无毒，同时具有许多有益的功能特性。然而，甲壳素不溶于水和大多数溶剂，限制了其应用，而其水溶性的脱乙酰衍生物——壳聚糖（CS）已在纤维制造、纺织染色和整理、染整废水处理及其他应用中得到应用。
已有多篇关于壳聚糖纤维的综述文章发表，主要涵盖用于更广泛应用的纳米纤维形成，例如伤口敷料和生物医学器件，而非纺织制造。另一篇文章综述了为将各种功能引入壳聚糖纤维以实现多样化应用而研究的各种化学改性。最近，一篇综述文章概述了甲壳素及其衍生物在纺织品各种处理和功能整理中的应用。然而，这些文章均未综述直接从甲壳素和甲壳素原纤维、甲壳素衍生物制造纺织纤维，以及为提高其强度、稳定性和功能性能而研究的各种增强策略。此外，没有文章比较由各种甲壳素衍生物单独或与其他添加剂混合、通过不同纺丝方法生产的纤维的机械和功能性能，以及与其他天然纤维的碳足迹。
纺丝方法的进步，如凝胶纺丝和干喷湿法纺丝，以及新型甲壳素溶剂如离子液体（ILs），在提高甲壳素纤维强度方面取得了巨大突破，并使得直接从甲壳素制造纺织纤维成为可能。由甲壳素及其衍生物单独或与其他添加剂制成的纤维显示出与许多天然纤维相当的纤维性能。目前，重点已转向通过利用绿色化学解决加工挑战和提高纤维强度，包括使用离子液体（ILs）作为甲壳素溶剂，促进其转化为高性能可持续纤维。本综述文章概述了甲壳素作为成纤聚合物用于纺织纤维制造的可行性、用于纺织纤维制造的甲壳素改性、纺丝工艺以及所产纤维的机械和功能性能。还讨论了甲壳素及其衍生物纤维的若干功能特性、生物降解和碳足迹。
2. 甲壳素的提取与衍生化
甲壳素可以从多种生物来源中提取，包括海洋甲壳类动物（如虾、鱿鱼笔和螃蟹）、昆虫（如蟑螂、甲虫）和真菌。利用甲壳类动物废弃生物质生产甲壳素非常有利，因为这些废弃物通常被倾倒回海洋，造成严重的海洋污染。甲壳类动物的外骨骼坚硬，由三层角质层组成，主要由甲壳素和蛋白质、无机盐、色素和脂质构成。在昆虫中，甲壳素是外骨骼和其他角质层结构的主要结构成分，提供强度、刚性、防水屏障并保护内部组织。昆虫生长需要通过蜕皮过程重复合成和降解甲壳质角质层。被研究用于甲壳素生产的昆虫有蝉、蚕和蜜蜂，它们通常比海洋甲壳类动物提供更高的产量。甲壳素也可以通过发酵从葡萄糖或海藻糖生物合成尿苷二磷酸-N-乙酰氨基葡萄糖（UDP-GlcNAc），然后通过各种酶促过程转化为甲壳素。
2.1. 提取过程
提取过程因原料不同而异，例如甲壳类动物、昆虫、真菌或生化生产的甲壳素。甲壳素主要存在于包裹在蛋白质中的壳内层，而外层由碳酸钙和蛋白质组成。传统的甲壳素提取过程分为预处理、脱矿、脱色和脱蛋白步骤。将生物质洗涤并粉碎，通过将其溶解在强酸溶液中去除矿物成分（如碳酸钙）。然后通过用过氧化氢或次氯酸钠进行氧化处理脱色，随后用强碱处理以溶解蛋白质，从而分离出甲壳素。由于强碱会降解甲壳素，因此研究了各种酶用于选择性溶解蛋白质。最近，还研究了离子液体（ILs）通过将甲壳类动物壳溶解在其中，然后用抗溶剂沉淀并使甲壳素不溶，从而一步直接提取甲壳素。离子液体（ILs）也可用作甲壳素及其衍生物的溶剂，因为它们可以通过破坏甲壳素的酰胺基和羟基之间的氢键来溶解甲壳素。在离子液体（ILs）中加入尿素或硫脲可增强其溶解甲壳素的能力。然而，从海洋生物质中提取甲壳素存在若干挑战，例如甲壳素含量低以及需要大量纯化，这增加了甲壳素的成本。昆虫提供了一种有前景且可持续的替代方案，可以帮助满足日益增长的甲壳素需求。
2.2. 甲壳素的衍生化
甲壳素经过化学改性以增强其水溶性，便于纺丝成纤维，并增强功能性能。甲壳素最简单的衍生物是壳聚糖（CS），它可溶于2%乙酸（AA）溶液，并且是纤维生产研究最多的物质。它是通过脱乙酰作用破坏甲壳素的乙酰胺酯键，将N-乙酰基转化为伯胺而生产的。脱乙酰作用在酸性或碱性回流条件下于惰性气氛中进行，但碱性方法更受青睐，因为在酸性条件下会发生多糖的酸解，因为酸会破坏糖苷键，导致聚合物链断裂。纯化的甲壳素通常分散在强氢氧化钠溶液中，在惰性气氛下于120 °C加热不同时间，具体取决于所需的脱乙酰度（DD）。甲壳素的分子量（MW）、拉伸强度和热稳定性随着脱乙酰度（DD）的增加而降低，这是由于解聚作用。要将脱乙酰甲壳素归类为壳聚糖（CS），脱乙酰度（DD）必须至少为50%。
文献中报道了许多甲壳素衍生物，但只有壳聚糖（CS）、羧甲基壳聚糖（CMCS）、亚胺壳聚糖（iCS）、丁酰亚胺壳聚糖（BICS）和酰亚胺壳聚糖（IdCS）被研究用于纤维生产。为了合成各种衍生物，甲壳素被部分脱乙酰化为壳聚糖（CS），将N-乙酰-D-氨基葡萄糖单元转化为含有游离胺基（–NH2）的D-氨基葡萄糖单元。利用壳聚糖（CS）的官能团（–NH2或–CH2OH）将壳聚糖（CS）改性为各种衍生物。壳聚糖（CS）通过在强氢氧化钠溶液中于惰性气氛下加热，由甲壳素部分或完全脱乙酰化生产。其在1%–2%乙酸水溶液中的溶解度随着脱乙酰度（DD）的增加而增加，但在碱性条件下仍不溶。羧甲基壳聚糖（CMCS）可以通过甲壳素部分脱乙酰化，然后在碱性条件下与氯乙酸反应制备，该反应将壳聚糖（CS）的–CH2OH基团转化为羧酸基团（–CH2COOH），形成同时含有阳离子氨基和阴离子羧酸基团的水溶性两性羧甲基壳聚糖（CMCS）。磷酸化壳聚糖（pCS）通过使壳聚糖（CS）与磷酸化剂（如磷酸、五氧化二磷或三氯化磷）反应制备，该反应在壳聚糖（CS）中引入膦酸基团。
制备亚胺壳聚糖（iCS）是为了保护其游离氨基免于酰化，并通过引入疏水基团降低壳聚糖（CS）在水中的溶解度。水解的壳聚糖（CS）在室温下与水杨醛反应6小时，将壳聚糖（CS）转化为亚胺壳聚糖（iCS）。改性的壳聚糖（CS）经过滤、用蒸馏水洗涤，然后用甲醇通过索氏提取纯化6小时。亚胺壳聚糖（iCS）可以进一步通过O-酰化改性，在催化剂（吡啶、三乙胺或三乙醇胺）存在下，使用二甲基甲酰胺（DMF）作为溶剂，使亚胺壳聚糖（iCS）与不同的酰氯反应。例如，丁酰亚胺壳聚糖（BICS）可以通过在吡啶存在下、以二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂，在0 °C下使亚胺壳聚糖（iCS）与异丁酰氯（iBC）反应3小时合成。最终产物通过先用水洗涤以去除吡啶盐，然后用甲醇通过索氏提取24小时进行纯化。
还探索了用各种化合物改性壳聚糖（CS），例如香豆素-3-羧酸（CCA）生产CCA-m-CS，以及接枝聚乙二醇单甲醚（mPEG）生产CS-g-mPEG，以增强所得改性壳聚糖（CS）纤维的理化性能。CCA通过使用N,N'-二环己基碳二亚胺（DCC）交联剂与壳聚糖（CS）的氨基键合，DCC是一种广泛使用的偶联剂，用于通过形成酰胺键将含氨基化合物与含羧酸基团化合物结合。
甲壳素纤维比其他天然纤维具有若干优势。例如，由甲壳素及其疏水性衍生物制成的纤维可以像醋酸纤维素（CA）纤维一样用分散染料染色，因为甲壳素中存在疏水性乙酰基，因此可能表现出一定程度的拒水性。由壳聚糖（CS）和其他阳离子衍生物制成的纤维可以在不使用任何电解质的情况下用酸性染料和活性染料染色，产生更清洁的废水。然而，通过湿法纺丝由甲壳素（尤其是壳聚糖（CS）和其他亲水性衍生物）制成的纤维相当脆弱，耐久性有限，不适合纺织生产。由于其止血、镇痛、抗菌和抗炎特性，湿纺壳聚糖（CS）纤维最初被研究用于缝合线和基于无纺布的伤口护理材料应用。
3. 纤维制造
为了纺丝，甲壳素及其衍生物首先溶解在合适的溶剂中，形成粘性溶液，然后通过将这种溶液强制通过喷丝头来制造纤维。
3.1. 甲壳素及其衍生物的溶剂
最初的研究使用2%乙酸（AA）水溶液作为从甲壳素及其衍生物纺丝的溶剂。除乙酸（AA）外，乳酸（LA）、己二酸（AdA）、2%氢氧化锂（LiOH）+ 6.0%尿素以及乙酸（AA）/甲醇水溶液也被研究用于此目的。甲壳素在乙酸（AA）溶液中的溶解度随着甲壳素脱乙酰度的降低而降低，纯甲壳素在其中完全不溶。由两种相反离子化合物（如有机杂环阳离子和有机或无机阴离子）混合形成的离子液体（ILs）具有独特的能力，可以溶解原始的高结晶度甲壳素，从而能够直接从甲壳素纺丝。离子液体（ILs）具有良好的溶解能力、低毒性、可忽略的蒸气压以及回收潜力。研究的离子液体（ILs）包括甘氨酸盐酸盐（[Gly]HCl）、N-甲基咪唑、[Gly]HCl/N-甲基咪唑1-氯丁烷（[Bmim]Cl）、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐（[Bmim]Ac）和1-乙基-3-甲基咪唑丙酸盐（[C2C1Im][OPr]）。甲壳素及其衍生物的纤维纺丝主要通过以下四种方法进行研究：
3.2. 纤维纺丝
3.2.1. 湿法纺丝
湿法纺丝是研究最多的从甲壳素及其衍生物生产纤维的方法。通常，甲壳素及其衍生物（例如壳聚糖（CS））溶解在溶剂中，然后通过带有多个孔的喷丝头挤出到凝固浴中，纺成连续的多纤维长丝。凝固浴用于在非溶剂中将溶解的聚合物固化成固体纤维。在接下来的浴中，洗涤纤维以去除任何残留的凝固盐和碱。最后，干燥和拉伸纤维以增强其晶体结构和强度。例如，通过将壳聚糖（CS）溶解在2%乙酸（AA）溶液中，然后通过喷丝头挤出到氢氧化钠（NaOH）和硫酸钠（Na2SO4）的凝固浴中，研究了壳聚糖（CS）纤维的湿法纺丝。不仅研究了甲壳类动物的纤维形成，还通过这种纺丝方法研究了真菌形成的甲壳素。最初的研究使用含有5%氢氧化钠、10%氢氧化钠（NaOH）、10% NaOH + 30% Na2SO4、10% NaOH + 乙醇的50/50混合物以及10% NaOH水溶液作为非溶剂的凝固浴。从β-甲壳素纳米原纤维（ChNF）通过湿法纺丝生产甲壳素纤维也使用注射泵进行了研究，纤维被挤入NaOH水溶液凝固浴中。由甲壳素及其衍生物生产的再生湿纺纤维通常表现出较差的湿强度。由溶解在乙酸（AA）中的壳聚糖（CS）通过湿法纺丝制成的纤维大多是非晶态的，因此强度较弱，但湿法纺丝仍然是最流行的方法，因为它允许从热敏性聚合物制造纤维，这些聚合物在熔化前会分解或降解。
3.2.2. 干喷湿法纺丝
为了提高纤维强度，研究了干喷湿法纺丝，这是一种结合了干法纺丝和湿法纺丝元素的混合方法。在此过程中，纺丝原液通过喷丝头挤出成复丝，在进入凝固浴之前通过一个空气间隙，允许纤维在进入凝固浴之前部分干燥，由于在凝固浴中纤维取向和固化之前溶剂部分蒸发，从而产生更强、模量更高的纤维。它结合了干法纺丝的高速度和可拉伸性与湿法纺丝的有效凝固控制。这使得制造商可以在聚合物丝条进入液体浴之前，在空气间隙中对其进行拉伸，从而生产出高强度纤维。由丁酰亚胺壳聚糖（BICS）与醋酸纤维素（CA）混合、使用N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）作为溶剂、使用含有甲醇钠和甲醇的凝固浴制成的纤维具有更高的强度，并且尺寸也均匀。通过这种纺丝方法，由溶解在[C2C1Im][OPr]离子液体（IL）中的壳聚糖（CS）和纤维素（Cel）的50/50混合物制成的纤维相当坚固。
3.2.3. 凝胶纺丝
凝胶纺丝主要用于从超高分子量聚合物纺制高强度、高模量纤维。凝胶纺丝可以类似于湿法纺丝或干喷湿法纺丝，不同之处在于聚合物溶液（纺丝原液）被转化为高粘性凝胶，纺丝机具有强力泵，迫使凝胶通过喷丝头形成纤维。凝胶纺丝主要被研究用于从纯甲壳素生产纤维。通过将高分子量甲壳素溶解在含有2%乙酸（AA）的水溶液中，然后挤入暖空气制成细丝，再通过含有气态氨的凝固浴制成的纤维，与湿法/干喷湿法纺丝相比具有更好的强度。凝胶纺丝也成功地用于生产纤维素纳米纤维（CelNF）填充的甲壳素纤维。凝胶纺丝通过将长聚合物链保持在凝胶状态，允许强烈拉伸，使分子紧密排列，具有高度有序的分子排列，从而产生最大拉伸强度，创造出超强、轻质的纤维，如超高分子量聚乙烯（UHMWPE）和芳纶。该工艺的关键优势在于可以直接从甲壳素制造高强度纤维，无需任何衍生化处理，从而降低了纤维生产成本。
3.2.4. 纳米纤维纺丝
甲壳素及其衍生物的纳米纤维是作为纳米纤维非织造垫生产的，并非用于纺织织物制造，而是用于纺织整理，在纺织品上创建透气、高表面积的膜，以增强或添加防水、抗菌保护和热调节等功能特性，而不会增加大量体积。纳米纤维制造技术也用于制造医用纺织品（例如医用口罩、伤口敷料）。对于纳米纤维的纺丝，已研究了静电纺丝、离心纺丝和电离心纺丝方法。静电纺丝的纳米纤维形成过程是一种电流体动力学过程，其中液滴被充电以产生聚合物溶液射流，然后拉伸和伸长形成纳米纤维。充电后，由于喷丝头尖端和收集器之间的电位差导致表面电荷之间的静电排斥使液滴变形为泰勒锥，从泰勒锥中喷射出带电的聚合物溶液射流。它最初沿直线延伸，然后由于弯曲不稳定性而发生强烈的湍流运动。产生的纳米纤维沉积在收集器上。
离心纺丝利用离心力代替静电纺丝中使用的高压静电力，从带有喷丝头的旋转头喷射聚合物射流，形成细纤维。聚合物溶液被迫通过以非常高的速度旋转的滚筒喷丝头，产生离心力，该离心力拉伸在高压下产生的聚合物溶液射流，形成纳米纤维。静电纺丝在产生超细且高度对齐的纳米纤维方面更优越，而离心纺丝明显更快，更适合大批量工业生产。电离心纺丝基本上是静电纺丝和离心纺丝的结合，利用两者的关键优势，生产出类似于静电纺丝产生的更细纳米纤维，但速度比静电纺丝过程更快。由于使用高压电相关的安全问题，很难将静电纺丝过程放大用于工业应用，但许多离心纺丝机已商业用于制造各种应用的纳米纤维膜。
由于甲壳素及其衍生物溶液中的聚合物链表现出有限的链缠结和低松弛时间，阻碍了它们的电纺性，导致聚合物射流断裂成液滴而不是转化为纤维，因此难以从100%纯甲壳素及其衍生物生产纳米纤维。因此，它们经常与其它高分子量成纤聚合物共混，包括聚环氧乙烷（PEO）、聚乙烯醇（PVA）或聚己内酯（PCL）。在纺织工业中，壳聚糖（CS）纳米纤维被用作纺织品的可持续功能涂层，赋予织物高抗菌活性、紫外线防护和增强的疏水性等性能。
4. 提高纤维强度的方法
为了提高纤维的干强度和湿强度，研究了各种物理和化学策略。物理方法可包括拉伸、与其他聚合物和添加剂共混以及工艺优化。化学方法可包括化学改性、交联和聚合物接枝。
4.1. 交联
最初的研究使用了各种交联剂，包括环氧氯丙烷（ECH）、乙二醛、戊二醛，但最近的研究使用了氮丙啶、三聚磷酸盐/熊果酸、双环氧、京尼平和六亚甲基-1,6-二氨基羰基磺酸盐，以及EDC活化的肝素。Wei等人从溶解在2%乙酸（AA）中的4%蟹壳壳聚糖（CS）溶液生产纤维，挤入含有0.05 mol/L环氧氯丙烷（ECH）的10% NaOH溶液中，然后用磷酸根离子和各种二醛交联。在二醛的情况下，纤维的拉伸强度显著提高，并且在较高温度（例如70 °C）下交联比在较低温度下提供更好的拉伸强度增加。然而，强度的增加是不够的，交联也会对纤维的生物降解性、伸长率以及通过物理机械加工（如拉伸）增强取向、结晶度和强度产生负面影响。
4.2. 与其他聚合物和添加剂共混
将相容的低分子量壳聚糖（CS）和聚乙烯醇（PVA）掺入壳聚糖（CS）纺丝原液可以提高所产纤维的强度。据报道，在氢氧化钾（KOH）/乙醇凝固浴中湿纺壳聚糖（CS）/聚乙烯醇（PVA）（55%/45%）纤维，然后用三聚磷酸盐交联，其拉伸强度与商业缝合线相当。纤维也由壳聚糖丁酸酯（CSB）和醋酸纤维素（CA）的共混物通过湿法纺丝生产，其疏水性优于壳聚糖（CS）纤维。尽管将壳聚糖（CS）与其他聚合物共混增强了所得纤维的各种性能，但使用传统湿法纺丝机械将壳聚糖（CS）纤维与其他天然聚合物混合纺丝可能具有挑战性。在壳聚糖（CS）溶液中加入酪蛋白酸盐仅使纤维的相对断裂强度比100%壳聚糖（CS）制成的纤维略有提高。不仅聚合物共混，还探索了用香豆素-3-羧酸（CCA）改性壳聚糖（CS）和接枝聚乙二醇单甲醚（mPEG）。CCA-m-CS纤维表现出增强的拉伸强度以及荧光性，CS-g-mPEG表现出固态相变行为。
不仅聚合物，向壳聚糖（CS）纺丝原液中添加各种纳米结构材料，如壳聚糖（CS）晶须、纤维素纳米纤维（CelNF）和聚乙烯醇（PVA），也可以提高所得纤维的结晶度并增强其强度，因为它们可以作为成核点。向壳聚糖（CS）中添加氧化石墨烯、长度为600–800 nm、直径为11–12 nm的甲壳素纳米原纤维（ChNF）和纳米纤维素，生产的纤维具有优异的机械性能。涂覆锰铁层状双氢氧化物（LDH）的湿纺壳聚糖（CS）纤维表现出高拉伸强度。由含有二氧化硅微粒的湿纺壳聚糖（CS）纤维制成的纺织品表现出高反射率（82.3%）、高红外发射率（95.6%）和被动辐射冷却。
5. 结构-性能关系
5.1. 分子取向和结晶度
由甲壳素及其衍生物制成的纤维的结构-性能关系在很大程度上取决于其分子量（MW）、晶体取向、脱乙酰度（DD）（就甲壳素衍生物而言），以及纤维纺丝方法、溶剂、凝固浴组成和纤维拉伸比。这些结构参数直接决定机械和功能性能、降解速率和生物相互作用。虽然关于甲壳素纺丝的早期文献可以追溯到近一个世纪前，但除了机械性能之外，详细研究再生甲壳素和衍生物纤维（如取向和结晶度）的精确结构-性能关系的综合研究仍然相对稀少。通过干喷湿法纺丝从溶解在2%乙酸（AA）溶液中的8% 100%壳聚糖（CS）溶液再生的纤维表现出86%的优选相对取向度。然而，对于从8%的50/50壳聚糖（CS）/纤维素（Cel）共混物溶液再生的纤维，优选相对取向度降低到77%，结晶度也降低，这表明向壳聚糖（CS）中添加纤维素（Cel）影响了其分子取向。另一方面，由部分脱乙酰的甲壳素纳米原纤维（ChNF）挤入丙酮制成的纤维表现出0.72的取向指数、70%的结晶度和245.8 ± 39.9 MPa的强度。然而，通过挤入NaOH溶液制备的相同纤维表现出更高的取向指数（0.77）和更低的结晶度（59%）和强度（151 ± 18.7 MPa），这可能是由于甲壳素在NaOH水溶液中通过脱乙酰反应溶解，降低了其结晶度。
5.2. 机械性能
表1列出了通过利用各种纺丝方法、溶剂、凝固浴和纺丝原液添加剂从甲壳素及其衍生物生产的纤维的机械性能。各种天然纤维，如家蚕丝纤维、羊毛、黄麻、棉和麻纤维，分别具有500、120–174、200–800、264–800和310–900 MPa的拉伸强度。另一方面，标准人造丝和莱赛尔纤维的拉伸强度通常分别在77.3–340和64.4–556 MPa范围内。早期由壳聚糖（CS）乙酸（AA）溶液通过湿法纺丝生产的壳聚糖（CS）纤维的干拉伸强度范围为38.4至低于100 MPa；即使交联后，强度也很差。然而，随着加工和溶剂方面的进步，一些最近开发的壳聚糖（CS）纤维具有与最强天然纤维相当的拉伸强度。
湿纺甲壳素和壳聚糖纤维的湿强度低于其干强度，类似于再生纤维素（Cel）纤维。与其他天然纤维相比，湿纺壳聚糖（CS）纤维的拉伸强度较差。虽然壳聚糖（CS）和季铵化壳聚糖（qCS）纤维可以由真菌甲壳素制成，但由真菌甲壳素制成的纤维比由虾甲壳素制成的纤维弱。壳聚糖（CS）和季铵化壳聚糖（qCS）纤维可以用阴离子染料染色，羧甲基壳聚糖（CMCS）纤维可以用阳离子染料高吸收率染色，无需使用任何盐，减少了产生的废水中的污染物负荷。最高的强度由溶解在KOH/尿素中并使用氯化钾（KCl）水溶液凝固浴湿纺的壳聚糖（CS）纤维、使用Na2SO4/乙醇水溶液凝固浴湿纺的[Gly]HCl纤维，以及溶解在磷酸（PA）中并使用乙醇水溶液凝固浴干喷湿纺的甲壳素纤维表现出，它们表现出的拉伸强度分别为878 ± 123、527.8和330 ± 6.5 MPa。由鱿鱼笔制成的凝胶纺甲壳素纤维也表现出非常高的强度，为295 MPa。在纯壳聚糖（CS）纤维中，由83%脱乙酰度（DD）的壳聚糖（CS）通过湿法纺丝、使用10% NaOH水溶液和乙醇的50/50混合物制成的纤维表现出最大拉伸强度220 MPa，明显低于甲壳素纤维，但仍高于羊毛纤维的平均强度。纤维的机械性能受多种因素影响，包括分子量（MW）、所用溶剂、凝固浴组成、纺丝方法、所用添加剂以及纤维制造过程中使用的拉伸比。
5.2.1. 脱乙酰度（DD）和分子量（MW）的影响
甲壳素和壳聚糖（CS）的脱乙酰度（DD）和分子量（MW）可以影响纤维的机械性能，但这种关系并不总是线性的。甲壳素和再生甲壳素纤维的X射线衍射（XRD）分析表明，甲壳素中N-乙酰基的分布比由其生产的纤维中的更随机。具有较高脱乙酰度（DD）的壳聚糖（CS）比具有较低脱乙酰度（DD）的壳聚糖（CS）具有更多结晶区域。较高的脱乙酰度（DD）和分子量（MW）通常导致纤维的拉伸强度和弹性模量增加。较高分子量（MW）的聚合物链提供更多的缠结和更强的相互作用，有助于提高纤维强度。壳聚糖（CS）薄膜的拉伸强度随着壳聚糖（CS）分子量（MW）的增加而增加，但伸长率随着分子量（MW）的增加而降低。聚合物结晶度的增加通常会降低由其制成的纤维的伸长率（柔韧性/可拉伸性）并增加刚度。由较高脱乙酰度（DD）生产的壳聚糖（CS）纤维表现出较高的拉伸强度，但伸长率低于由较低脱乙酰度（DD）生产的纤维。在甲醇处理的情况下，由较高脱乙酰度（DD）生产的纤维表现出较高的拉伸强度和伸长率，与由较低脱乙酰度（DD）生产的纤维相比。
5.2.2. 凝固浴组成和温度的影响
凝固浴温度和组成可以影响壳聚糖（CS）的机械性能。浴中不同的溶剂、浓度和温度影响纤维的结构，进而影响其机械性能。浴中使用的酸/碱类型以及乙醇/甲醇等甲壳素/壳聚糖（CS）非溶剂的存在等因素可以决定所得纤维的最终结构、孔隙率和机械性能。只有少数研究报道了凝固浴组成对壳聚糖（CS）纤维拉伸强度的影响。尽管研究了各种类型的凝固浴用于壳聚糖（CS）纤维的再生，但不同研究使用的壳聚糖（CS）溶剂浓度、脱乙酰度（DD）、浴组成、凝固浴溶剂、温度和拉伸速度不同，使得比较各种凝固浴组成变得困难。从溶解在N,N-二甲基乙酰胺/5%氯化锂中的甲壳素再生并挤入水凝固浴的甲壳素纤维表明，浴温度高度影响所产纤维的拉伸强度。当凝固浴温度从5 °C增加到60 °C时，纤维的拉伸强度从80 MPa增加到182 MPa。da Silva等人报道，对于溶解在乙酸（AA）水溶液中并挤入乙醇凝固浴的壳聚糖（CS），壳聚糖（CS）纤维的结晶度更高，而乳酸诱导了更大的结构无序性。在乙醇凝固浴中湿纺的壳聚糖（CS）纤维比在甲醇凝固浴中具有更均匀的表面，后者产生更粗糙的长丝。
5.2.3. 溶剂、纺丝方法和拉伸的影响
用于溶解甲壳素及其衍生物的溶剂也通过与其广泛的氢键网络相互作用来影响纤维强度。甲壳素由于紧密的聚合物堆积而臭名昭著地不溶于普通溶剂，而壳聚糖（CS）更容易溶于酸性水，因为其氨基基团带电并与水分子相互作用。专门的溶剂，如离子液体，可以破坏这些内部键以溶解、溶胀或改性它们。溶解在7.2%（w）LiOH和6.0%（w）尿素中的壳聚糖（CS）纺入8% H2SO4和乙醇的凝固浴中，产生拉伸强度为162.57 ± 4.3 MPa的纤维。从甘氨酸盐酸盐（[Gly]HCl）离子液体（IL）溶液纺入Na2SO4/乙醇水溶液的壳聚糖（CS）纤维，其断裂强度为37.7 cN/tex（369.7 MPa），而由相同壳聚糖（CS）使用乙酸（AA）水溶液生产的纤维断裂强度为8.6 cN/tex（84.3 MPa）。
干喷湿纺纤维通常表现出比由相同聚合物制成的湿纺纤维更高的强度，因为空气间隙允许在聚合物完全固化之前实现更高的拉伸比（牵伸比）和更好的分子取向。例如，由壳聚糖（CS）的[Gly]HCl和[Bmim]Cl溶液制成并挤入连续的10% NaOH和乙醇凝固浴的干喷湿纺壳聚糖（CS）纤维表现出306 MPa的拉伸强度，但当使用相同的凝固浴通过湿法纺丝由相同的纺丝原液制成纤维时，仅表现出217.5 MPa的拉伸强度。Ota等人观察到，对于壳聚糖（CS）和纤维素（Cel）的50/50共混物，湿纺纤维表现出更高的强度（218 MPa），而干喷湿纺纤维为197 MPa，但对于25/75共混物，干喷湿纺纤维表现出更高的强度（194 MPa），湿纺纤维为179 MPa。不仅纺丝方法，拉伸和干燥条件也在决定纤维性能方面发挥作用。通过空气干燥的纤维比通过辐射加热干燥的纤维表现出高得多的延展性，这是由于热应力、水分诱导的塑性和分子链松弛与致密化的差异。
