（纺织工程专业论文）大豆蛋白纤维纯纺纱线的上浆研究.pdf

摘要 大豆蛋白纤维是世界人造纤维史上第一种由中国自主开发并投入工业化生 产的纤维。大豆蛋白纤维的主要原料是来自于自然界的大豆废粕，生产过程不会 对环境造成污染。产品废弃后容易生物降解，故其可称为新世纪的“绿色纤维”。 大豆蛋白纤维纯纺纱线产品具有羊绒般手感，蚕丝般柔和光泽，棉纤维的吸湿导 湿性，羊毛的保暖性，对皮肤亲和力好，无刺激，触感好，具有生态纤维功能， 有“人造羊绒”之称。但大豆蛋白纤维纯纺纱线存在抱合力差、回弹性差、强力 不匀、毛羽多等不足。因此，大豆蛋白纤维纯纺纱线进行上浆是非常必要的，以 达到经纱织造的要求。 传统的纱线上浆大多以淀粉为主浆料，并加入适量的p v a 、聚丙烯酸类浆 料等，以增强浆液的成膜性和耐磨性，提高纱线可织造性。但p v a 不易降解， 将严重污染环境。目前，世界上许多国家已经开始禁止使用p v a ，我国也提出 了少用或不用p v a 。因此，寻求替代p v a 浆料的上浆已成为人们关注和研究的 重点。 本课题从纤维分子结构和粘着剂的相似相容原理考虑，针对大豆蛋白纤维属 于“绿色纤维”的特点，同时，为了保证大豆蛋白纤维纯纺纱线上浆过程满足绿 色生产，制定了几种上浆配方，并与某纺织厂用浆料配方对比，通过大量实验对 其性能及有关指标进行测试分析。主要是对浆料的基本性能，浆液的粘度、粘度 热稳定性、粘附力，浆膜的厚度、断裂强力、断裂伸长、水溶速率，浆纱的毛羽、 耐磨、断裂强力等指标进行测试和分析。同时，采用正交试验对上浆方案进行优 化设计，以浆纱增强率、增磨率和毛羽降低率作为测试指标，确定浆料配方中各 个组分对浆纱效果的影响大小，以此确定配方的最佳配比，由此比较筛选得出大 豆蛋白纤维纯纺纱线上浆的最佳方案。结果表明：在大豆蛋白纤维纯纺纱上浆中， 不用p v a ，采用德国伊埃斯公司生产的新一代马铃薯变性淀粉e m s i z e c p 浆料与 复合变性淀粉为主浆料，以适当比例混合，并适量加入丙烯酸类等浆料，其浆液 水溶性、粘附力、粘度热稳定性良好，浆膜柔韧，浆纱质量优异，生物降解性良 好，满足了大豆蛋白纤维纯纺纱线生态上浆工艺要求。 本课题通过系统分析和研究大豆蛋白纤维纯纺纱线的上浆工艺，为开发大豆 蛋白纤维产品奠定了一定基础，这些研究结果可为大豆蛋白纤维纱线的浆纱工艺 提供参考。同时通过对大豆蛋白纤维纱线的研究和技术攻关，为进一步开拓大豆 蛋白纤维纯纺纱线的应用领域奠定了基础。 关键词：大豆蛋白纤维纯纺纱线浆料配方浆液性能生态上浆浆纱质量 t h er e s e a r c ho f t h es i z i n gt ot h ep u r e s p i n n e ds o y b e a np r o t e i ny a r n s a b s t r a c t s o y b e a np r o t e i nf i b e ri sm a n u f a c t u r e df i r s t l yb yc h i n ai nt h es y n t h e t i cf i b e r ，a n d p u ti n t ot h ei n d u s t r i a lp r o d u c t t h em a i nr a wm a t e r i a lo ft h es o y b e a np r o t e i nf i b e ri s t h er u b b i s ho ft h es o y b e a n , a n dt h ep r o d u c t i o nc a r l tc a u s ep o l l u t i o nt ot h e e n v i r o n m e n t a f t e ra b a n d o n i n g ，t h ep r o d u c t i o nw a sb i o d e g r a d e de a s i l y ，s oi tc a l lb e c a l l e dt h eg r e e nf i b e ri nt h en e wc e n t u r y t h eh a n d l e do ft h es o y b e a np r o t e i ny a r n p r o d u c ti sl i k et h ec a s h m e r e ，t h el u s t e rl i k et h es i l k ，t h eh y g r o s c o p i c i t yl i k ec o t t o n ，t h e w a r m t hr e t e n t i o np r o p e r t yl i k et h ew o o l ，a n di th a st h ef u n c t i o no ft h ee c o l o g i c a lf i b e r ， s oi th a st h ed e s i g n a t i o no ft h ea r t i f i c i a lc a s h m e r e b u tt h es u p e rs o y b e a np r o t e i n y a r n sh a v et h ed e f e c t ss u c ha sb a dc o h s i o nf o r c e ，e l a s t i cr e s i l i e n c e ，u n e v e n n e s so f s t r e n g t h ，l o t so fh a i r i n e s s s oi no r d e rt og e tt h es t a n d a r do fw e a v e ，i ti sn e c e s s a r yt o s i z et h es u p e rs o y b c a np r o t e i ny a r n i no r d e rt oa m p l i f yt h ef o r m i n g f i l mp r o p e r t ya n da b r a s i o nr e s i s t a n c e ，i m p r o v e t h ew e a v ec a p a b i l i t y , t h es t a r c hi st h em a i ns i z i n ga n dp r o p e rp v a ，p o l y a c r y l i ca c i d s i z ei sa d d e df o rt r a n s i t i o n a ly a r ns i z i n g b u tt h ep v ac a nn o tb ee a s i l yr e s o l v e d ，i t p o l l u t et h ee n v i r o n m e n ts e r i o u s l y a tp r e s e n t ，m o s tc o u n t r i e si nt h ew o r l dh a v ef o r b i d t h eu s eo fp v aa n dt h ei d e ai sa l s op r o v i d ei no u rc o u n t r y t h e r e f o r e ，t h es e a r c hf u r t h ea l t e r n a t i v ei n s t e a do f p v ai st h ec a r ef o rp e o p l ea n dt h es t u d yf o c a lp o i n t i no r d e rt ou n d e r t a k et h es i z i n gp r o c e s so ft h es o y b c a np r o t e i nf i b e rt os a t i s f yt h e g r e e np r o d u c t i o n ，t h ep a p e ri sc o n s i d e r e dt h em o l e c u l es t r u c t u r ea n dt h ec o h e s i o n t h e o r yo ft h es i m i l a r i t ya n ds o l u b i l i t y , s e v e r a ls i z i n gp l a n sh a v em a d ea i m e df o rt h e g r e e nf i b e ro ft h es o y b e a np r o t e i nf i b e r ，a n di t i sc o m p a r e dw i t ht h es i z i n gu s e di na m i l l ，t h ep r o p e r t i e sa n di n d e x e sr e l a t e dt ot h e mi st e s t e da n da s s a y e dt h r o u g hl o t so f e x p e r i m e n t s w et e s tt h eb a s i cp r o p e r t i e so f t h es i z e t h e ya r et h ev i s c o s i t yo f t h es i z e ， t h et h e r m o s t a b i l i t yo ft h ev i s c o s i t y ，a d h e s i v i t yo fs i z e ，t h et h i c k n e s s ，t h eb r e a k i n g t e n a c i t yo ft h es t a r c hf i l m , t h eb r e a k i n ge l o n g a t i o n o ft h es t a r c h f i l m ，t h e w a t e r - s o l u t i o nr a t eo fs i z e ，t h eh a i r i n e s so fs i z i n g ，t h ea d h e s i o n ，a n dt h eb r e a k i n g s t r e n g t ho ft h es i z i n g a f t e rt e s t i n gw ea n a l y z et h ed a t a t h e nw eo p t i m i z et h es i z e m i x t u r ef o r m u l ab yt h eo r t h o g o n a lt e s t ，a n dc h o o s et h es t r e n g t h e n i n gr a t e ，a b r a s i o n r a t ea n dr e d u c i n gh a i m e s sa st h et e s t i n gt a r g e t s a n dt h e nd e t e r m i n et h a tw h i c h c o m p o n e n to f t h ef o r m u l ai n f l u e n c et h er e s u l to f t h es i z i n gm o r ee a s i l y w ed e t e r m i n e t h eb e s tc h a r g er a t i oo f t h es i z ef o r m u l aa c c o r dt h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n t a tl a s tw e c h o o s et h eo p t i m u mp l a nt os i z et h es o y b e a np r o t e i ny a r n s t h er e s u l t ss h o wt h a ti n t h es i z eo fy a m sf o rs o y b e a np r o t e i nf i b e r ，t h en e ws i z eo fp o t a t om o d i f i e ds t r a c h e m s i z e c pw h i c hi sp r o d u c e db yt h ey i a i s h ic o m p a n yi ng e r m a n ya n dc o m p o u n d s i z ea r et h et w om a i ns i z eu s e di nt h i ss t u d yi n s t e a do fp v at h et w os i z ea r ep r o p e r m i x e da n dt h ep o l y a c r y l i ca c i ds i z ei sp r o p e r l ya d d e d ，i tc a ns a t i s f yt h ee c o l o g i c a ls i z e t e c h n i q u ef o r t h ey a m so fs o y b e a np r o t e i nf i b e ra si th a v et h ep r o p e r t i e so fg o o dw a t e r s o l u b i l i t y ，a d h e s i v i t y ，h o tv i s c o s i t ys t a b i l i z e ra n ds o f ts i z i n gf i l m ，e x c e l l e n ts i z i n g q u a l i t y ，w o n d e r f u le c o l o g i c a ld e g r a d i n g t h es i z i n gt e c h n i q u ew h i c hi sa s s a y e da n ds t u d i e di n t h i sp a p e ri st h eb a s i st o d e v e l o ps o y b e a np r o t e i np r o d u c e t h es t u d yr e s u l tc a np r o v i d et h er e f e r e n c ef o rt h e s i z i n gt e c h n i q u eo ft h es o y b e a np r o t e i ny a r n a tt h es a n l et i m e ，w ee n l a r g et h eu s i n g f i e l do ft h es o y b e a np r o t e i ny a r nb yt h er e s e a r c ho ft h ep r o c e d u r ea n dt h e b r e a k t h r o l j i g ho f t h et e c h n o l o g yi nt h ec o u r s eo f t h e r e s e a r c h y a n gy o u y i ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ys h e ny a n q i n ( p r o f e s s o r ) a n d l i uj i j i a n g ( s e n i o re n g i n e e r ) k e yw o r d s ：p u r es p i n n e ds o y b e a np r o t e i ny a m ，s i z i n gi n s t r u c t i o n ，s i z i n gp r o p e r t y e c o l o g i c a ls i z i n g ，s i z i n gq u a l i t y 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位 期间学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学 位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大 学。学院有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存 学位论文。 f 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者 指导老师签名 日期 力嫩5 a 知n 纱1 舻、亿 西安工程大学学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加 以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成 果，不包括本人己申请学位或他人己申请学位或其它用途使用过的成果。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名： 扬菱透 日 期：2 研多月d 月 1 绪论 1 绪论 1 1 环境保护与生态纺织品“3 近百年来，科技进步为人类生活带来了各种益处，但与此同时也带来了很多 负面的影响。全球资源的过度开发，对环境产生了恶劣的影响，造成了环境污染 严重和生态平衡失调，严重危害了各种生物的正常繁殖和人类的身体健康。有资 料表明，人类疾病的7 0 一9 0 都与环境污染有关。 随着人类保护自身意识的日益增强，国际社会和经济的不断发展，环境保护 与可持续发展己经成为世界各国人民越来越重视的问题。近年来，为了控制和减 少生产生活对环境的污染，世界各国尤其是欧美等发达国家陆续出台了相关的环 保法规和纺织品环保标准。主要的标准有德国的e c o t e x 、m s t 、m u t 、c l e a n f a s h i o n 和t e x p r o o f 、丹麦的m i l i e u k u e r 、瑞士的s w a n ，以及国际纺织品生态研 究和检验协会推出的o e k o t e xs t a n d a r d l 0 0 等。随着在国际纺织品市场上占有重 要地位的欧洲和日本相继采纳了o c k o t c xs t a n d a r d l 0 0 标签后，获取“生态纺织 品”的环境标志已成为纺织、服装企业在国际贸易一体化趋势下的必然选择。 所谓“生态纺织品“”主要是指在生产和使用过程中，不会污染环境和破坏 生态，对人体无害，符合卫生、安全要求的纺织品。它要求从产品的开发设计、 原料采用、加工制造、流通、使用、报废处理到再利用全过程中，都采用无污染 或少污染的清洁工艺，使能最大限度地减轻或消除产品生产对环境产生的影响。 不难想象，在国际纺织品贸易竞争日趋激烈的情况下，生态纺织品的生产和消费 将主导国际贸易的新潮流。 随着国际自由贸易区的不断出现，国际贸易中的关税贸易壁垒已逐步取消， 取而代之的则是以产品质量的环境指标和完全认证为标准的绿色贸易壁垒。 1 2 几种常用浆料的介绍 近年来，在新浆料的开发与研究方面的重要动向是改进与完善现有浆料的上 浆性能和环保问题。3 。国内外主要使用的仍然是变性淀粉、聚乙烯醇( p v a ) 和丙 烯酸”1 类三大类浆料。 1 2 1 变性淀粉浆料 普通淀粉作为天然浆料，资源丰富，价格低廉，但淀粉分子量高，分子结构 式如下，淀粉分子链“1 ”由环状葡萄糖剩基构成，而且每个葡萄糖剩基上有3 个一 0 h ，分子链问氢键密度大，致使淀粉分子问作用力大，链段运动困难，刚性大， 玻璃化温度高，所以锭粉表现出脆性材料的特性，使其在上浆性能上有很大的缺 陷。为改善其上浆性能，人们通过物理、化学和生物的方法对天然淀粉进行了改 1 绪论 性处理，得到了各种变性淀粉浆料。与普通淀粉相比，变性淀粉分子量小，浆液 粘度低，热稳定性好，成膜能力强，在浆纱性能上都有了较大的改善。 n 淀粉的分子结构式 由于天然淀粉化学结构上的羟基、氢键的化学活泼性及物理结构上聚集状态 的不稳定性，使变性淀粉品种多种多样，按其改进的阶段可以分为三代o - 9 1 ： 第一代变性淀粉是通过降低淀粉聚合度来降低浆液粘度的。改善了淀粉的成 浆性能，达到浓度提高，不易凝胶的目的。其主要产品有酸解淀粉、糊精和氧化 淀粉。 第二代变性淀粉是淀粉衍生物一类，通过在淀粉的葡萄糖剩基上引入低分子 化学基团来削弱分子间的相互作用，其性能的改变不仅表现在粘度及水分散性上 的改善，而且也提高了对合成纤维的粘附性，浆膜也变的更柔韧一些。主要产品 有交联淀粉、酯化淀粉、醚化淀粉和阳离子淀粉。 第三代变性淀粉主要是接枝淀粉一类，通过在淀粉链上引入具有一定聚合度 的高分子化合物使淀粉性能大为改善，成膜柔韧。且增强了对疏水性纤维的粘 附性，扩大了淀粉浆料在合成纤维上浆方面的应用。 随着对变性淀粉产品的进一步开发，可以根据发展现有的生产工艺，对种 淀粉进行多重的、复合的变性，增强其对亲水性纤维和疏水性纤维的双重作用， 使其性能逐渐接近甚至超过p v a ，又因变性淀粉生物降解性好，环境污染小，因 此有完全取代p v a 的趋势。 1 2 2 聚乙烯醇( p y h ) 聚乙烯醇称为p v a ，是一种典型的水溶性合成高分子化合物“，由聚醋酸乙 烯醇通过醇解而得p v a 的性质主要由它的聚合度和醇解度来决定，随着聚合度 的提高，p v a 溶液的粘度、成膜性能、结皮倾向和浆膜的强度、刚性都相应增 大。p v a 溶液的突出优点“”就是成膜性能好，常被誉为“坚而韧”，p v a 水溶性 好，浆液粘度稳定，由于其分子链上有许多- - o h ，因而对天然纤维和合成纤维 都有较好的粘附性但是由于p v a 倾i j 基单一，结构整齐，内聚力大，在干燥成膜 时易结晶定型，从而造成湿浆纱干燥时分纱阻力大，使纱线毛羽增多。p v a 不易 制浆，需长时间煮浆，而且浆液表面易结皮，印染退浆困难。对p v a 也可以进行 改性处理，如使p v a 与丙烯酞胺等共聚变性，可以改进p v a 的水溶性，粘附性： 2 1 绪论 对p v a 进行内酯化变性，可以用于浆料的低温上浆，改善浆料与纤维的粘附性， 使浆膜更光洁，浆液不起泡。此外，还可以对p v a 进行接枝变性等。无论是p v a 浆科还是变性p v a 浆料，虽然其性能比较优越，但是p v a 类浆料c o d 值很高， b o d 值低，在退浆时排放的废水对环境造成严重污染，因此使用上的环境保护 问题仍是其致命的弱点。如果其生物降解性的问题仍不能得到很好的解决，随着 人们环保意识的同益增强，p v a 的使用将受到严重的限制。国内外现己研究用其 它浆料来代替p v a ，并己有国家开始禁用p v a 。 123 n 烯酸类浆料 近年来，丙烯酸类浆料的发展非常迅速，由于它不像p v a 那样环境污染严重 “，并且其品种繁多，性能较好，作为合成浆料有取代p v a 在浆料领域与变性淀 粉共唱主角之势。 丙烯酸类浆料的最基本单体是丙烯酸，属热塑性高聚物，侧链上所含官 能团的结构及高聚物的分子量决定着其主要的理化性能。丙烯酸类浆料主要以丙 烯酸及酯衍生物单体c h 2 = c r c o o r 经聚合而成，因为丙烯酸类浆料可以用一r 、 一r f 不同的单体聚合，所以可以得到不同性能的浆料用于各种要求的上浆。丙烯 酸类浆料的侧基主要是醇基、羧基或酞胺基，对碱很不稳定，但对酸稳定，在低 温下与稀酸一般不发生作用。从上浆性与适应性来看，可将其主要分为三类：丙 烯酸盐类、丙烯酞胺类、丙烯酸酯类“。 丙烯酸类浆料对纤维粘附性强( 高于p v a l ，浆膜柔韧弹性好，水溶性能、退 浆性能都很好。其缺点是浆膜较软，吸湿较大，易粘合。因此，在使用中可 以让其与淀粉类浆料一起合用，使两类浆料在性能上可以相互补充，从而得到良 好的浆纱效果。 1 3 大豆蛋白纤维及其上浆的发展 1 3 1 大豆蛋白纤维的介绍 a 大豆蛋白纤维发展的历史：大豆蛋白纤维”是一种再生植物蛋白质纤维， 再生蛋白质纤维是从天然动物牛乳或植物( 如花生、玉米、大豆等) 中提炼出的 蛋白质溶解液经纺丝而成。其研究始于1 9 4 5 年左右，美国、日本科技人员在实 验室研制了大豆蛋白纤维，美国的商品名为s o y l o n 。但由于早期的这种纤维强力 低、可纺性差，故无实用价值。据国外资料介绍，2 0 世纪9 0 年代中后期，将分 离的大豆蛋白用戊二醛做交联剂制成大豆蛋白生物可降解的高聚物，用于塑料增 强剂、粘合剂、包装材料等领域，而未有用于纺织纤维原料制成的各类纺织品。 河南省濮阳华康生物化学工程联合集团公司李官奇先生在1 9 9 3 年开始研究，从 豆粕中( 去油脂后) 提炼出大豆球蛋白经改性后进行纺丝，在多年的实验室研究 1 绪论 中经历了数百次试验，1 9 9 8 年终于在实验设备上试纺成功，后在河南遂平县建 成一条年产1 5 0 0 吨的工业化生产线，经8 个多月的生产调试，在2 0 0 0 年3 月试 纺成功，改写了中国在世界化学纤维制造领域中原创技术空白的历史。 b 大豆蛋白纤维简介”“：大豆蛋白质纤维是一种再生植物蛋白纤维，它是 从大豆粕中提取蛋白高聚物，配制成一定浓度的蛋白纺丝液。熟成后，用湿法纺 丝工艺纺成单纤0 9 3 0 d t e x 的丝束，经醛化稳定纤维的性能后，再经过卷曲、 热定形、切断，即可生产出各种长度规格的纺织用高档纤维。据专家介绍，大豆 蛋白质纤维单丝细度细、比重小、强伸度较高、耐酸耐碱性好，用它纺织成的面 料，具有羊绒般的手感、蚕丝般的柔和光泽，兼有羊毛的保暖性、棉纤维的吸湿 和导湿性，穿着十分舒适，而且能使成本下降3 0 4 0 。大豆蛋白纤维既具 有天然蚕丝的优良特性，又具有合成纤维的机械性能，它的出现满足了人们对穿 着舒适性、美观性的追求，符合服装免烫、洗可穿的潮流。 c 大豆蛋白纤维的组成和结构”“：大豆蛋白纤维是由2 0 余种氨基酸的缩聚 大分子物质，但其各种氨基酸的含量及比例与动物蛋白质有很大区别。 大豆蛋白纤维的横截面形态和纵向形态如图卜l 、卜2 所示。在电镜下可观 察到它的纵向表面为梭子形条纹，其长度约3 4 微米，宽及深度约0 1 微米，同 时还可观察到潜在的原纤结构，因此在服用摩擦后易轻度起绒。它的横截面具有 明显的皮芯结构，皮层结构紧密且厚韧，芯层由于在凝固浴脱溶剂时形成许多似 海绵多孔状空隙结构。 它的分子结构中有多种极性基团，如羟基、缩醛基、氨基等，这些基团各有 吸色性能，其中以羟基为亲水性的，它具有与纤维素纤维相似的染色性能，可选 用直接、活性、硫化等染料染色，但是羟基所显示的反应能力较弱，因此用同样 染料染色，它的深度不及其他纤维素纤维的色深。 同时它又有缩醛基疏水性的基团，可选择分散及中性混合染料染色；含有氨 基也可以选择酸性染料染色；实际上，由于大豆纤维的特殊结构，它显示出介于 纤维素纤维与化学纤维之间的染色性能，且具有良好的酸、碱稳定性，适用染色 的染料范围较广泛。 图1 - 1 纤维横截面形态图1 - 2 纤维纵向形态 d 大豆蛋白纤维经济价值：据有关数据分析，l k g 大豆可以榨出0 1 7 k g 的 l 绪论 大豆油，榨油后，剩下的0 8 3 k g 大豆粕中含有4 0 的有效蛋白质，以往大豆粕 主要用于牲畜的饲料，而现在大豆粕与高聚物共混制成纺丝原液后，再纺成大豆 蛋白纤维，还剩余4 0 的大豆饼粕仍可用于饲料。从价格分析，1 吨大豆的市场 售价为2 5 0 0 元，经提炼蛋白质4 0 0 k g ，加入6 0 0 k g 的高聚物可制成1 吨大豆蛋 白纤维，其成本价为2 5 万元，市场售价为7 8 万元，即1 吨大豆粕可提高4 0 的新使用价值，可带来5 万元的经济价值。这就意味着，目前全国大豆总产量 1 3 5 0 万吨可带来6 7 5 0 万元的经济效益。对纺织业而言，全国目前化纤总产量达 到6 5 0 万吨，如果大豆蛋白纤维的产量达到1 0 0 万吨，化纤产量可减少1 6 左右。 现在，丝绸原料每吨2 2 万元左右，羊绒每吨1 0 0 1 2 0 万元左右。如果1 0 0 万吨 的大豆蛋白纤维与羊绒或丝绸混纺，其经济价值不言而喻。 e 大豆蛋白纤维发展前景。“2 “：据这项技术的发明者、河南华康生物化学工 程联合集团公司总裁李官奇介绍，一百公斤豆渣可提取四十公斤蛋白质，提取出 的蛋白纤维的成本仅为真丝的1 3 、羊绒的1 1 5 。 全球每年生产羊绒一万吨，其中中国占八成。但生产羊绒的山羊吃草刨根， 对草原植被的毁坏相当于绵羊的2 0 倍，因此，海内外许多环保专家呼吁限制羊 绒生产。 1 3 2 大豆蛋白纤维纯纺纱线的上浆工艺 由于大豆蛋白纤维纯纺纱线上浆既具有弹性高，条干好，湿强大的优点，同 时又存在毛羽多的不足，因此浆纱的目的关键在于既要贴伏毛羽，又要设法使浆 纱耐磨。因为大豆蛋白纤维表面光滑，纤维间的抱合力差，纱线中的纤维容易滑 移，若不充分将大豆蛋白纤维纯纺纱线毛羽贴伏，这些毛羽在上机织造时，极易 在停经片等到处造成大量的纤维堆积，尤其是靠近综丝前面二排停经片处极易堆 积纤维和其吸附的浆料而使纱线纠缠结团在一处，导致织造时大量断头，若不及 时将这些吸附浆料纤维的团块及时清理，织机难以开出，即使勉强开出，也会因 两根或多根经纱纠缠在一起，使其在停经片以后的纱线无法随停经片前纱段而不 断地拉伸，形成布面吊经疵点，同时最终也必将因纱线张力过大而造成停经片以 前的纱段断头。1 。同时，如果虽将其浆纱毛羽贴伏，但浆纱硬挺则极易造成停经 片无法及时下落，而使断纱横在梭口间导致引纬运动不稳，因此既要充分贴伏大 豆蛋白纤维纯纺纱线的毛羽，又要使浆纱柔韧耐磨是浆纱必须解决的关键问题。 大豆蛋白纤维纯纺纱线上浆的原则是重渗透、求被覆、小伸长、轻张力，可 以使经纱减磨、保伸、增强、贴伏毛羽。浆纱工序合理选取浆料配方和工艺参数， 有利于提高浆纱品质。浆纱采用“两高一低”的高压上浆工艺。上浆率控制在9 1 2 以内，浆液含固率在1 0 ，为减少高温对大豆蛋白纤维的损伤，烘房的烘干 温度控制在1 0 0 以下，浆槽温度控制在8 0 。c 左右。 1 绪论 1 4 本课题研究的主要内容 本课题主要通过大量实验，针对大豆蛋白纯纺纱线是“绿色纤维”的特点， 制定几种浆料配方。对其性能及有关指标进行测试并进行分析讨论，经过比较筛 选，最后确定大豆蛋白纤维纯纺纱线上浆的最佳方案。 本课题的具体内容如下： ( 1 ) 大豆蛋白纤维纯纺纱线的上浆机理和纱线性能测试； ( 2 ) 浆料配方的设计与制定； ( 3 ) 测试所用浆料的基本性能，包括：外观、含水率等： ( 4 ) 测试浆液的性能，包括：粘度、粘度热稳定性、粘附力等； ( 5 ) 测试浆膜性能，包括：浆膜外观、厚度、断裂强度、伸长率、浆膜水 溶速率等： ( 6 ) 测试大豆蛋白纯纺纱线上浆质量，包括：毛羽降低率、增磨率、增强 率、减伸率、退浆率等； ( 7 ) 优化浆料的配方。 1 5 本课题研究的意义 纺织品在织造前有一道重要的工序是经纱上浆，上浆的目的是贴伏纱线毛 羽，增加纱线耐磨性，保持纱线伸长，提高纱线强力，是保证产品质量、提高织 机效率、降低成本的关键工序。随着科学技术的发展，各种新型高速织机更新换 代，新型纤维也如雨后春笋层出不穷，大豆蛋白纤维就是新型纤维的一种。新型 纤维的相继问世对经纱上浆技术提出了新的要求，因此，浆料的选择与配伍起着 决定性作用“。 传统的纱线上浆大多以淀粉为主浆科，并加入适量的p v a 、聚丙烯酸类浆 料等，以增强浆液的成膜性和耐磨性，提高纱线可织造性。但p v a 不易降解， 将严重污染环境。目前，世界上许多国家已经开始禁止使用p v a ，我国也提出 了少用或不用p v a 。因此，寻求替代p v a 浆料的上浆已成为人们关注和研究的 重点。本课题根据大豆蛋白纤维纱线的特点，探索对其上浆不用p v a ，选择适 合于大豆蛋白纤维纱线上浆的新型浆料和浆料配方，既满足浆纱工艺的要求，又 节约能源，减少环境污染，降低浆纱成本。 6 2 人显蛋白纤维纯纺纱线上浆川浆料配方的设计与制定 2 大豆蛋白纤维纯纺纱线上浆用浆料配方 的设计与制定 2 1 大豆蛋白纤维特性的测试及分析 大豆蛋白纤维是一种新型的人造植物蛋白纤维，既有天然纤维的特性，又兼 有化纤的优点。 21 1 大豆蛋白纤维的特性 a 大豆蛋白纤维物理机械性能”：所谓纺织材料的物理机械性能是指纤维、 纱线、织物等在机械作用时的力学性能，总体包括了拉伸、压缩、弯曲、扭转、 摩擦、磨损、疲劳等几个方面的作用，这是纺织服用性能的最重要的物理性能之 一。其中纱线的拉伸性能是研究最多的一项内容。大豆蛋白纤维与其它纺织纤维 的物理性能比较如表2 - - 1 所示。 表2 一l 大豆蛋白纤维与其它纺织纤维性能比较 由表2 1 中可以知道： ( 1 ) 大豆纤维的干态断裂强度高于其它四种纤维，湿态断裂强度比棉略低， 优于另外三种纤维。这说明大豆纤维吸湿后强度会有显著下降，因此纺纱过程中 要合理控制温湿度条件，以保证纺纱过程的顺利进行。 ( 2 ) 纤维的钩结强度好。测定单纤维钩结强度对于了解纤维润湿后的性能、 针织线圈的牢度和纤维打结处的坚牢程度都有重要的意义。 2 人豆蛋白纤维纯纷纱线上浆川浆料配方的设计与制定 ( 3 ) 初始模量的大小，反映了纤维受较小拉伸力时抵抗变形的能力。大豆蛋 白纤维的初始模量值变化范围较大，说明其存在强力不匀，会给纺纱和织造带来 不利影响。 ( 4 ) 纤维的断裂伸长率的大小与其内部结构( 结晶程度、取向度、分子间力的 大小等) 密切相关。大豆蛋白纤维的湿态断裂伸长率大于干态断裂伸长率，在进 行工艺设计时要注意其干、湿态性能的变化。 ( 5 ) 纤维的摩擦性质不仅直接影响纺纱过程的顺利进行，而且还关系到纱线、 布匹的质量。大豆蛋白纤维的摩擦系数相对其它纤维偏低，且动、静摩擦系数的 差值较小，纺出的纱条抱合力差，松散易断，纺纱过程中应加入一定量的油剂。 由于摩擦系数小，大豆蛋白纤维适合加工手感柔软的产品。 b 大豆蛋白纤维织物性能：大豆蛋白纤维织物具有以下5 个特点”： ( 1 ) 外观华贵：服装面料在外观上给人们的感觉体现在光泽、悬垂性和织纹 细腻程度3 个方面。大豆蛋白纤维面料具有真丝般的光泽，非常怡人；其悬垂性 也极佳，给人以飘逸脱俗的感觉；用细特纱织成的织物，表面纹路细洁、清晰， 是高档的衬衣面料。 ( 2 ) 舒适性好：大豆蛋白纤维面料不但有优异的视觉效果，而且在穿着舒适 性方面更有着不凡的特性。以大豆蛋白纤维为原料的针织面料手感柔软、滑爽， 质地轻薄，具有真丝与山羊绒混纺的感觉，其吸湿性与棉相当，而导湿透气性远 优于棉，保证了穿着的舒适与卫生。 ( 3 ) 染色性好：大豆蛋白纤维本色为淡黄色，很像柞蚕丝色。它可用酸性染 料、活性染料染色。尤其是采用活性染料染色，产品颜色鲜艳而有光泽，同时其 日晒、汗渍牢度也非常好，与真丝产品相比解决了染色鲜艳度与染色牢度之间的 矛盾( 真丝产品日晒、汗渍牢度极差，很容易掉色) 。 ( 4 ) 物理机械性能好：这种纤维的单纤干态断裂强度在3 o c n d t e x 以上，比 羊毛、棉、蚕丝的强度都高，仅次于涤纶等高强度纤维，而纤度已可达到0 9 d t e x 。 目前，利用l - 2 7 d t e x 的棉型纤维在棉纺设备上已纺出6d t e x 的高品质纱，可开 发高档的高支高密面料。由于大豆蛋白纤维的初始模量偏高，而沸水收缩率低， 故面料尺寸稳定性好。在常规洗涤下不必担心织物的收缩，抗皱性也非常出色， 且易洗、快干。 ( 5 ) 保健功能性：大豆蛋白纤维与人体皮肤亲和性好，且含有多种人体所必 须的氨基酸，具有良好的保健作用。在大豆蛋白纤维纺丝工艺中加入定量的有杀 菌消炎作用的中草药与蛋白质侧链以化学健相结合，药效显著且持久，避免了棉 制品用后整理的方法开发功能性产品，药效难以持续的缺点。 2 人豆蛋白纤维纯纺纱线上浆川浆料配方的设计与制定 2 1 2 大豆蛋白纤维的组成和加工 大豆纤维的组分”1 是植物蛋白质和高分子聚乙烯醇，植物蛋白质占总量 2 3 1 5 5 ，高分子聚乙烯醇占总量的7 7 4 5 。生产过程是将榨过油的大豆粕浸 泡，然后分离出豆粕中的球蛋白，再进行提纯，通过助剂与腈基、烃基高聚物接 枝、共聚、共混，制成一定浓度的蛋白质纺丝溶液，经湿法纺丝制成。 大豆蛋白质合成丝的制造工艺流程包括加工成半成品的程序和半成品之后 期的冷却、缩醛化、水洗、上油、烘干、卷曲、定型和切断程序。其加工成半成 品的工艺流程依次为：从豆粕中提取分离纯蛋白质：把提纯后的分离蛋白溶解成 溶液，并浓缩到浓度为1 5 一2 0 ；把聚乙烯醇高分子聚合物溶解，成为浓度为 1 5 一2 0 的水溶液；把浓度为1 5 一2 0 的分离蛋白质溶液和1 5 一2 0 的聚乙烯醇高 分子聚合物溶液按配比混合并搅拌均匀制成纺丝原液；将纺丝原液进行脱泡后进 入湿法纺丝机采用湿法纺丝：由纺丝喷帽中出来的丝进入凝固浴液，经过湿浴牵 伸、烘干、干热牵伸和热定型程序。 其加工工艺流程为：( 1 ) 从粕料中提取纯蛋白质一( 2 ) 纯蛋白质再溶解并浓缩 成要求的浓度，把p v a 溶解调至要求浓度一( 3 ) 按比例混合搅拌成原丝液一( 4 ) 用 湿法纺丝一( 5 ) 丝束进入凝固浴液一( 6 ) 空气牵伸一( 7 ) 湿浴牵伸一( 8 ) 烘干热牵 伸一( 9 ) 定型成为半成品一( 1 0 ) 半成品经缩醛化一( 1 1 ) 水洗一( 1 2 ) 上油一( 1 3 ) 烘 干一( 1 4 ) 卷曲、定型一( 1 5 ) 切断即为成品。 大豆蛋白纤维的纺丝涉及化学、生物等多方面的知识，是一个复杂的过程。 加工过程对环境没有污染，半成品及各种助剂均可回收重新使用。 2 1 3 大豆蛋白纤维的基本结构 a 大豆蛋白纤维的物理结构：天然高聚物( 如蚕丝、羊毛、棉、橡胶等) 和再 生或合成高聚物的物理机械性能”。”与它们的化学结构、形态结构和聚集态结 构( 超分子结构) 有关，染整加工性能与纤维的化学结构和聚集态结构关系更密 切。大豆纤维截面呈腰圆型或哑铃型，纵向表面不光滑，有很多不规则的沟槽及 凹凸。这些沟槽和凹凸是在纺丝牵伸过程中，由于纤维表面脱水、取向较快而形 成的。这些结构的存在正是大豆纤维具有良好的导湿性、优异的吸湿与放湿性能 的主要原因，对纤维的光泽和刚度也会有重要影响。 b 大豆纤维的化学组成 ( 1 ) 大豆蛋白纤维中的氨基酸组成：大豆蛋白质由1 8 2 0 种氨基酸组成，在 氨基酸的侧基上有不同的活性基团，如一o h 、一n h ：、一c o o h 等，能参与各种化学反 应。在再生大豆蛋白纤维纺丝过程中，大豆蛋白质”中酪氨酸、组氨酸等能与聚 乙烯醇分子上的羟基反应，形成交联；同时在醛化交联过程聚乙烯醇分子间、大 豆蛋白质分子f f i j 以及聚乙烯醇和大豆蛋白质分子间都有可能产生各种交联结构， 2 人显蛋白纤维纯纺纱线上浆川浆料配方的设计与制定 因此再生大豆蛋白质的化学结构十分复杂。纤维纺丝、牵伸、交联和定型过程的 工艺控制对再生大豆蛋白质纤维的化学结构和性能有很大影响。再生大豆蛋白纤 维中氨基酸的含量和各种氨基酸占总氨基酸的百分率如表2 2 和表2 3 所示，由 此我们可以对大豆蛋白纤维中氨基酸有一个大体的了解。 表2 - - 2 大豆蛋白纤维中氨基酸含量 单位： o 2 人显蛋白纤维纯纺纱线上浆川浆料配方的设计与制定 注：资料来源于中国科学院上海生物化学研究所，所用仪器日立8 3 5 型氨基酸自动分析仪。 c 大豆纤维的红外光谱和升温d s c 曲线：大豆纤维的红外光谱如图2 1 所示。 图中1 6 5 4 8 、1 4 3 8 8 、1 0 1 8 3 、7 9 8 5 c m “左右的吸收峰分别是蛋白质分子中酰 胺一i 、i i 、i i i 和v 的特征吸收峰；1 1 3 0 c m l 处和1 1 4 2 c m l 处的吸收峰为聚乙烯醇 的c c 伸缩振动吸收峰。这些特征吸收峰表明大豆蛋白纤维的主要成分是大豆蛋 白质和聚乙烯醇，这二者的组分影响了大豆纤维的热学性能。 2 人豆蛋白纤维纯纺纱线上浆h j 浆料配方的设计与制定 图2 一l 大豆蛋白纤维的红外光谱 大豆纤维的升温d s c 曲线如图2 2 所示。在约为3 6 0 k 处有一吸热峰，这是分 子蒸发的吸热峰。大豆纤维的熔点是5 1 4 k ，熔融热为7 6 0 6j s 。大豆纤维的熔点 与p v a 结晶熔融温度( 5 0 3 k 1 大致接近，由此推断大豆纤维p v a 的成分对大豆纤维 的热性能起着重要的作用。 图2 - 2 大豆蛋白纤维的升温d s c 曲线 d 大豆蛋白纤维与其他纤维的结构形态的对比时：了解纤维的形态结构， 不仅有助于辨别纤维，还可由此推测它的可纺性能等，为了对大豆蛋白纤维的形 态特征、理化性能有一个比较系统全面的了解，通实验，将其与棉纤维、毛纤维、 蚕丝和粘胶纤维的性能进行了对比。各种纤维的结构特征如表2 4 所示。 2 人豆蛋白纤维纯纺纱线上浆h j 浆料配方的设计与制定 表2 4 几种纤维的形态结构 通过表2 4 中的对比，可以得出以下结论： ( 1 ) 大豆蛋白纤维排列整齐，光泽亮丽，带有大豆的本黄色，外观很像蚕 丝，手感轻柔滑爽，酷似羊绒。纤维细度是1 2 7 d t e x ，较其它纤维细度要细，有 利于纺高支纱。 ( 2 ) 通过切片( 图1 一1 ) 发现纤维的截面形态不完全一致，大多数呈腰圆 型、哑铃型，少部分呈扁平型和三角型。纤维截面中心部分颜色较深，可能是由 于纤维内、外层成分不一样的原因。纵向表面有很多不规则的沟槽及凹凸。 2 2 大