（纺织工程专业论文）大豆蛋白质改性纤维及其制品的性能研究分析.pdf

摘要 大豆蛋白质改性纤维及其制品的性能研究与分析 摘要 f 大豆蛋白改性纤维是由河南省濮阳华康化学生物工程联合集团 公司李官奇等研制并生产的一种新型纺织纤维，它的主要生产原料是 豆粕、羟基和氰基高聚物，其生产原理是将豆粕水浸分离提纯出蛋白 质，将蛋白质改变空间结构并在适当的条件下与羟基和氰基高聚物共 聚接枝，通湿法纺丝生成7 本课题除了简单介绍了该纤维的研制生产工艺外，还对该纤维 及其制品所具有的性能，进行了研究分析。在研究纤维的内部结构的 过程中运用了现代多种先进的测试手段，如：红外吸收光谱、x 射 线衍射图等。同时对纤维主要的物理机械性能与化学性能进行了系统 的实验分析，以期对该纤维的形态特征、服用性能有较全面的掌握。 在对纤维陛能研究分析的基础上，我们开发了大豆蛋白质改性纤维的 织物，并对织物进行了舒适性能的实验研究，验证了运用聚类分析的 方法对纤维做的整体评价。 唪课题通过对大豆蛋白质改性纤维及其制品性能的研究与开 发，主要得出以下结论： 1 该纤维具有单丝细度细、比重轻、断裂强度高、光泽好、吸 湿透湿好等特点，织物具有的良好保暖性、吸湿透湿性和良 好的手感。 2 该纤维的研制和开发处于初级阶段，纤维和织物的染色性能 不够理想，织物的湿热性能较差等。同时在纤维纺纱等工艺 过程中还有一定的难题。 3 在进一步提高和改进纤维性能的基础上，通过优化纺织工 艺，或和其他纤维的混纺、交织等措施，来改进纤维纺织的 第1 页 獭妥 _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 加工工艺和织物的服用性能，开发出品种更多、功能更强的 大豆蛋白改性纤维的系列纺织品。厂一万、 关键词：大豆蛋白质改性纤彩内部结，物理性自 。化学性能_ 对比，聚类分析织物舒适性能 第1 i 页 摘要 s t u d yo nt h ep e r f o r m l k n c eo f t h es o y b e a n p r o t e i nf i b e ra n df a b l u c a b s t r a c t t h es o y b e a n - p r o t e i nf i b e rw a sd e v e l o p e db yl i g u a n q iw h oi st h e m e m b e ro ft h e h u a k a n gg r o u p t h a ti su n i t e dw i t h c h e m i s t r y b i o e n g i n e e r i n g i np u y a n g ，h e n a np r o v i n c e t h ep r o d u c e rs t u f fo ft h es o y b e a n p r o t e i nf i b e rp r i m a r i l yc o n t a i n s b e a n s d r e g s ，h y d r o x y la n dc y a n i c a c i dh i g hp o l y m e r i t s p r o d u c t i o n p r i n c i p l e ：f i r s t , s o a k i n gb e a n sd r e g si n t ow a t e ra n dp u r i f y i n go u ts o y b e a n p r o t e i nf r o mt h es o l u t i o n t h e n ，t h ep r o t e i nw a sc h a n g e di t sm o l e c u l a r c o n f i g u r a t i o n ，a n dt o o kp l a c eg r a f tc o p o l y m e r i z a t i o nw i t h h y d r o x y la n d t h e c y a n i ca c i dh i 【g hp o l y m e ru n d e rt h es u i t a b l ec o n d i t i o n l a s t ，f o r m st h e s o y b e a n - p r o t e i nf i b e rb yw a y o f w e t s p i n n i n g i n t h i s p a p e r , t h et e c h n o l o g y w a s s i m p l y i n t r o d u c e d t h e p e r f o r m a n c eo ft h i sf i b e rw a ss t u d i e d d u r i n gt h et e s t i n gm a n yk i n d so f a d v a n c e di n s t r u m e n tw e r ei m p l i e di ns t u d yo ft h ef i b e r si n n e rs t r u c t u r e ， t h ei n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r u m ，x - r a yd i 缶a c t i o nc h l v e ，e t c i no r d e rt o k n o wt h ef i b e r sc h a r a c t e r i s t i c sa n dc h e m i c a l p h y s i c s p e r f o r m a n c e ，w e c o u l dh a v ec o m p l e t e l yu n d e r s t o o db yt h es y s t e ma n a l y s i s o nt h eg r o u n d o fa l l 。a r o u n ds t u d y , t h ef a b r i co ft h ef i b e rw a s d e v e l o p e da n di t sp r o p e r t y w a ss t u d i e d a n dt h ep e r f o r m a n c eo f t h ef i b e rw a se v a l u a t e db yt h ew a y c l u s t e r i n g a c c o r d i n g t ot h ed e v e l o p m e n ta n d s t u d yo f t h ef i b e ra n df a b r i c ，t h e c o n c l u s i o n sa r er e a c h e da sf o l l o w i n g ： 1 - t h ef i b e rp o s s e s s e sv a r i o u sf i n ep r o p e r t i e s ，f o re x a m p l e ，s o f ta n d 第1 i i 页 摘要 s m o o t hh a n d l e ，g o o dw e t - c o n d u c t a n c e t h ef a b r i ch a sg o o dh e a tr e t e n t i o n ， e x c e l l e n tw a t e ra b s o r p t i o na n d g o o d h a n d l e 2 a tp r e s e n t ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ef i b e ri ss t i l lo nt h ei n i t i a ls t a g e t h es o y b e a n - p r o t e i nf i b e rh a st h ed r a w b a c k so ft h ed y e i n gb e h a v i o ra n d l e v e l n e s s t h ew e t - h e a tp e r f o r m a n c eo ft h ef a b r i ci sp o o r t h e r ea l es o m e p r o b l e m s a tt h e s p i n n i n gp r o c e s s 3 o nt h eb a s i so ff u r t h e ri m p r o v e m e n to ft h ef i b e r s p r o p e r t y , b y m e a n so f t h ei n t e r t e x t u r ea n d b l e n d i n gw i t ht h eo t h e rf i b e r ，o p t i m i z a t i o no f t e x t i l et e c h n o l o g y , s e r i a lt e x t i l ew i mw i d e rv a r i e t i e sa n db e t t e rf u n c t i o nc 8 1 b e d e v e l o p e d i nt h ef u t u r e d u n i n g ( 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 yp r o fh a n g u a n g t l n g k e y w o r d s ：t h es o y b e a n - p r o t e i nf i b e r , t h ei n n e rs t r u c t u r e ，t h e p h y s i c s m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ，t h ec h e m i c a lp e r f o r m a n c e ，a n a l y s i s ，c l u s t e r i n g ， c o m f o r t 第1 v 页 第1 章概述 1 1 国内外新型纤维的发展概况 随着现代文明的发展和人们生活水平的提高，世界上兴起保 护生态、维护健康、追求穿着美观和舒适的潮流。在纺织方面， 除了人们穿着的服装要求美观大方外，越来越追求服装的舒适性 和功能性，从而使舒适性和功能性的研究成为一个重要的课题， 因此在这方面的研究工作已经成了纺织产品发展的一大趋势。 同时，人们对服饰织物用纤维要求也发生了变化，对于合成 纤维，己不满足于其原有的性能，合成纤维的改性、开发和研究 也进入了一个新的阶段，即从仿天然纤维领域逐渐进入超天然纤 维的领域。川 ( 1 ) 为了适应消费者对服饰日趋高档化的要求，合成纤维从 总体上看是向细旦、高技术、高性能、多功能发展。特别是超高 速纺丝的开发，制造出弹性好、易染等内部断面不均一结构的纤 维，使得合成纤维虽然不象天然纤维那样在线密度、长度等整体 上有一个分布，但可在更小的尺度范围内纤维横截面上形成 不均一的结构，从而在提高纤维性能上开辟了新的途径。其中， 有代表性的是功能性纤维的开发。 通常指的功能性纤维是指具有特殊功能( 高感性、高吸湿透 湿、防水性、抗静电及导电性、抗菌性及消臭性、生物降解与相 容性) 的新一代化学纤维。功能性纤维的制造特点是以高分子原 料的合成、反应、结构及聚集态到纤维成形的物理加工、高次结 构的控制等方面研究出发，采用新的工艺技术和后加工技术，使 纤维实现高感性化和高功能化。新型功能性纤维研制和开发已取 得了一定的成绩，如： a 超微细纤维，经过不断深入研究改进，采用高新技 第1 页 第1 章概述 术，日本至今最细已能纺制到o 0 0 0 1 d 的超微细纤维。 细旦纤维比表面积大，吸附能力大，微孔多而小，是功 能性纤维的理想基材，和其他有效成分结合后可成为高 效率的功能性纤维。 b 抗菌除臭纤维的研制开发已取得了巨大的成就。 c 远红外纤维是一种具有优良保健理疗功能、热效应 功能和排气透气、抑菌功能的新型纺织材料：纤维内含 有特殊的陶瓷成分，这种成分会吸收人体释放出来的辐 射热，并在吸收自然界光热后发射人体最需要的远红外 线，这种远红外线具有“辐射、渗透”和“共振吸收” 特征，易被人体皮肤吸收，活化组织细胞，促进新陈代 谢，让人体达到保温及促进血液循环的保健作用。 d 高吸湿透湿纤维是一种高吸水性材料，它能吸收自 重数十倍甚至上千倍的高分子材料，可广泛用于卫生材料 和工业、农业、林业、园林工艺及建筑材料等领域中， 高吸湿透湿纤维可通过纤维化学改性与物理方法制取； 如中空多微孔纤维，除了中空部分的毛细孔作用可吸水 透湿之外，纤维表面还有许多微细孔，增加了吸水排汗 速度，用这种纤维编织的面料，重量轻、干爽保暖，是 一种非常流行的面料。 e 离子交换纤维是一种纤维状、具有较大比表面的离 子交换材料。自5 0 年代开始开发，现在已广泛用于水的 软化、金属回收、药品精制、疾病诊断与治疗以及生物 化学领域。用已有的天然纤维及各种合成纤维为原料， 对纤维上的官能团进行化学改性或通过接枝变性引入离 子交换基团，可制得具有离子交换功能的纤维。 f 针对化学纤维及其织物易起静电问题，国内外专家 研究并开发了抗静电纤维。导电纤维是利用导电成分赋 予纤维导电的性能，其最大用途为无尘、抗电防爆工作服 及工业用材料与地毯，在半导体，精密仪器、生物医学 第2 页 第l 章概述j _ h - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 。一 j 领域也有广阔市场1 2 】。| ( 2 ) 各国差别化纤维的研究开发不断深入。合成纤维通过1 改性获取许多天然纤维具有的、甚至没有的功能，在这方面的研 究已进入了一个新的阶段。差别化纤维功能化的工程技术更是繁 多，通过共聚共混、不同的纺丝方法或不同的纤维加工方法等来 获得不同性能的纤维。 在这一趋势发展的下，从原料着手研制的新型纤维及其系列 产品的开发已形成高潮。如： a 新型的再生纤维素纤维一l y o c e l l 纤维及其产品的开发 已取得了令人瞩目的成就。 b 日本和美国的一些公司已采用玉米等植物为原料， 通过在溶剂中乳酸的直接聚合或以环状二聚乳酸开环聚 合可得到高分子量的聚乳酸，经熔融纺丝，制得聚乳酸 ( p l a ) 纤维：p l a 纤维可广泛用于医用缝合线、外科手 术植入材料、创伤保护材料、吸收剂等。 c 日本f o r e s t 公司研制成功了海藻纤维。藻酸是一种从 褐藻中提取的天然多糖，将海藻酸钙在水中溶解成纺丝 液，经过滤脱泡从喷丝板挤出，在含钙离子的酸性凝固 浴( 如氯化钙) 中成形，海藻酸钙与钙离子交换形成不溶 于水的海藻酸钙纤维，再经水洗、拉伸、烘干处理，由 非织造生产工艺可制成包扎伤口用绷带等。近年来海藻 绷带与创可贴的用量正以每年4 0 的速度递增，成为目 前应用最广泛的伤口包扎材料之一。 d 甲壳素是另外一种环保型医疗用纤维，从工厂废弃 的甲壳中提取甲壳素粉末，在甲壳素中加入氯甲烷，冰 醋酸及高氯酸等共同反应即制得甲壳素乙酸酯，再将其 溶解在三氯乙酸- - 氯甲烷混合液中制成纺丝液，经湿法 ( 或干湿法) 纺丝、拉伸成纤或成膜：此种纤维不仅具 有很强的反应性能，耐热耐碱耐腐蚀，可生物降解，而 且它与人体有极好的生物相容性，可被生物体内的溶菌 第3 页 第1 章概述 酶分解而吸收，还具有消炎、止血、镇痛、抑菌、促进 伤口愈合等作用： e m a r u m a s a 公司研制开发了竹纤维制品： f 我国四川宜宾化纤厂与高校合作研制了蚕蛹蛋白粘 胶长丝。 最近“新合纤”这一术语以日语读音“s h i n g o s e n ”在世 界纤维纺织界广为流传，它并不是指一种特定的新的合成纤维， 而是指采用以超细合成纤维为基础的新型纤维材料和新的高技术 纺丝、纺织、染整一条龙加工工艺所制取的舒适、时髦的新型合 纤织物。新合纤是流传开的名称，并无严格的定义，在纺织界公 认的新合纤的定义是，凡具有“新质感”的合纤织物( 特别是指 聚酯纤维织物) 即是新合纤。所谓“新质感”必须是新颖、独特 且超越任何一种天然纤维的风格与感觉，换句话来说就是指风 格、质感、触感、外观等感觉方面性能优良的服用纤维，其更具 有功能性、舒适性、美学性。 总之，新合纤在纺丝织造染整一条龙的每一个环节 中都显示了最新的高技术水平，在服饰界掀起一阵不可抵抗的风 潮，所以利用天然原料研制高性能、高科技含量的新型纤维，并 开发系列高科技产品已成为纺织新产品的主流。 1 2 国内外蛋白质纤维的发展概述 再生蛋白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，这类再生蛋白质纤 维的研究历史较早，大约在十九世纪末和二十世纪初国外就开始 了研究，国外早期的再生蛋白质纤维研制情况如下口i ： 1 8 9 4 年，在明胶液中加入甲醛进行纺丝，制得明胶纤维； 1 9 4 0 年，t o d t e n h a u p t 用从牛乳中提炼的酪素进行纺丝，制 得酪素纤维： 1 9 3 5 年，f e r r e t t i 进一步对酪素纤维的制备进行了研究，意 第4 页 第1 章概述 大利s n i a 公司开发了酪素纤维； 1 9 3 6 年，英国c o u r t a u l d s 公司开发了酪素纤维， 1 9 3 8 年，英国i c i 公司制备了花生蛋白质纤维，商品名为 a r d i l ，该纤维吸水率为1 4 左右，断裂强度为o 8 9 d ； 1 9 3 8 年，日本油脂公司开发了以大豆为原料的纤维； 1 9 3 9 年，c o r np r o d u c tr e f i n i n g 公司将从玉米中提炼的蛋白 质用醇经碱溶解纺丝制得玉米蛋白纤维，商品名为：v i c a r a 、a r d i l n f i b e r ，该纤维比重为1 2 5 ，吸水率为l o 左右，断裂强度为1 2 1 5 9 d ； 4 0 年代初，美国、英国研制了酪素纤维，商品名为a r a l i c ( 美 国) 、f i b r a l a n e ( 英国) ，比重为1 9 ，吸水率为1 4 ，断裂强度为 0 8 1 o g a ，延伸度为1 5 ，耐水性不好； 1 9 4 5 年左右，美国、日本研究了大豆蛋白纤维，美国商品 名为s o y l o n ，吸水率为1 1 左右： 1 9 4 8 年，美国v a i g i n i ac a r o lc h e n i c a l 公司开发了玉米蛋白 纤维“v i c a r a ”： 1 9 6 9 年，日本东洋纺公司敦贺工场开始研制和试生产牛奶 蛋白纤维，取名为“c h i n o n ”( 取之法国的一城市名) ，它是由牛 奶蛋白和丙烯腈接枝共聚反应而制得。 由于受早期科技水平的限制，上述研制的再生蛋白质纤维因 强力低、纤维粗、物理机械性能差、制备的技术难度大等种种原 因而未能实现工业化生产。后来，由于石油化学工业的发展等原 因，研究者将新纤维的研究方向转向于合成纤维和再生纤维素纤 维的研制，大约在2 0 世纪4 0 年代到5 0 年代间相继成功研制出 粘胶、锦纶、涤纶、腈纶、氨纶等化学纤维，并实现了工业化生 产。随后的5 0 年成为化学纤维大量发展的时代，许多服装、装 饰用布、工业用布替代了部分天然纤维。虽然合成纤维有许多优 良性能，但也存在吸湿性和透气性差、穿着不舒服等缺点。由于 现代人对服装的追求趋向于自然化、舒适化、休闲化、多样化， 天然纤维受到了人们的越来越多的青睐。但是，天然纤维棉、麻、 第5 页 第1 荦概述 羊毛、蚕丝等受到种植、养殖面积的限制，无法大量发展。因此， 从9 0 年代，国内外对再生蛋白质纤维的研制工作又重视起来。 近年来，日本东洋纺公司重又开发出了以新西兰牛奶为原料 与丙烯腈接枝共聚合的再生蛋白质纤维“c h i n o n ”，它是目前世 界上唯一实现了工业化生产的酪素蛋白质纤维。它具有天然丝般 的光泽和柔软手感，有较好的吸湿和导湿性能、极好的保温性， 穿着舒适，但纤维本身呈淡黄色，耐热性差，在干热1 2 0 度以上 易泛黄，该纤维可做针织套衫、t 恤、衬衫、日本和服等。 1 9 9 4 年以来，美国d u p o n t 公司等对玉米蛋白质纤维的制造 过程和性能进行了研究。将玉米蛋白质溶解于溶剂中可进行纺 丝；将球状玉米蛋白质溶解于碱液( p h1 1 3 1 2 7 ) 中，并加入甲 醛或多聚羧酸类交联剂，可进行湿法纺丝。含有交联剂的玉米蛋 白纤维具有耐酸、耐碱、耐溶剂性和防老化性能，且不蛀不霉， 它具有棉的舒适性、羊毛的保暖性和蚕丝的手感等特性。 目前，国外尚无用于纺织品的大豆蛋白改性纤维产品。据国 外资料报道，可将大豆蛋白于p v a 共混纺丝、用戊二醛作交联 剂制成大豆蛋白生物可降解性高聚物，用于塑料、粘合剂、薄膜、 包装材料和增强材料等应用领域。 我国河南濮阳华康生物化学工程联合集团公司李官奇先生潜 心研究了八年，投资7 0 0 0 多万元，终于在2 0 0 0 年3 月试纺大豆 蛋白改性纤维成功，在国际上首次成功地进行了工业化生产，目 前第一条生产线年生产能力达1 5 0 0 盹左右。 大豆蛋白改性纤维的主要生产原料是豆粕、羟基和氰基高聚 物，其生产原理是将豆粕水浸分离提纯出蛋白质，将蛋白质改变 空间结构并在适当的条件下与羟基和氰基高聚物共聚接枝，通湿 法纺丝生成大豆蛋白质复合纤维：该种纤维是一种性能优良的纤 维，它有优良的透气性( 气态水) ，好的保暖性，手感柔软、滑爽， 导湿性优良，比电阻小、抗静电性能好，此纤维与真丝交织能显 著改善真丝织物的导湿、干爽、舒适性、克服了真丝织物汗渍、 水印的缺点，与羊毛交织或混纺能显著改善织物抗折皱性及抗起 第6 页 第l 章概述 毛起球性；使织物手感柔软，干爽舒适，提高毛绒织物性能。该 纤维的研制成功，填补了国内空白，是蛋白质成纤技术的又一突 破，大豆蛋白改性纤维的出现是顺应国际化的潮流的，这是迄 今为止唯一由我国科技人员自主开发并在国际上率先取得 工业化实验成功的纤维材料，它不仅显示了我国科技人员 的聪明才智，也为世界纺织工业作出了贡献1 4 j 。 1 3 国内外织物风格和舒适性能的研究概况 服装是人类生产、生活中必不可缺的一部分，随着社会的发 展、科学技术的进步和人们生活水平的日益提高，人们在穿着方 面已经不在单一追求织物( 服装) 的实用性了，而是越来越追求织 物( 服装) 的外观美感和穿着舒适性。织物的外观对人们评价整个 织物有着重要的作用，服装的服用舒适性对织物的评价也有着非 常重要的作用，所以现在开发的织物已经着重于织物f 服装) 的风 格和织物舒适性研究限“。 一般服用或是家用织物，除了花色要符合消费者要求外， 内衣织物需要具有良好的柔软特性，外衣织物服用时要保持必要 的外型和美观，并具有一定的刚度和悬垂性，也就是通常所指的 织物风格。织物风格是织物所固有的物理机械性能作用于人的感 官所产生的效应，可分为两类：即触觉风格，又称手感；视觉风 格，包括外观和光泽，又称观感。由于织物的触觉风格和视觉风 格是同一物理作用施加于人的不同感官的结果，因此对它们的研 究方法应该是统一的【7 1 。 衣服是人体日常穿着的必需品。在穿着时，它与手掌和人 体部分皮肤之间经常发生接触。因此，对布的接触感觉、衣服的 舒适性、布料的质量，以及布料性能的鉴别等重要问题必须进行 研究。通过多年的研究，人们对于服装的舒适性也形成了成 型的认识，这种舒适性包括生理上的舒适感和心理上的愉 第7 页 第1 章概述 悦感，即服用者通过知觉、视觉、触觉、听觉、味觉等器 官得到的对服装的综合体验。从引起不同舒适性感觉的因 素分类，它大约包括【8 】( 1 ) 接触舒适性：( 2 ) 热湿舒适性；( 3 ) 压力舒适性。 织物和皮肤接触时，由于织物与皮肤之间温度不同，存在 一定程度的热交换，导致皮肤温度上升或下降。一般的情况下( 除 环境温度高于皮肤温度外) ，织物温度比皮肤温度低，因此织物 与皮肤接触后往往使皮肤温度下降，如果温度的下降( 或上升) 量 超过一定限量，就会使人产生不舒适感。目前国内外许多学者称 之为织物( 服装) t l 冷暖感，即接触舒适性【9 l 。 服装的湿热舒适性是指在湿热环境条件下，显著影响人体 舒适的服装的综合散热、散湿性能。人体散热的途径主要有传导、 对流、辐射和蒸发，但在热环境或运动条件下，人体主要是靠蒸 发散热来维持热平衡，它占人体总散热量的7 5 以上。在人体 蒸发散热的同时，必然引起服装与皮肤间微气候区的温度上升， 使人体产生不舒适感，这又阻碍了皮肤表面汗液的进一步蒸发。 服装作为人体与环境间的防护层，它应能使热量快速散发又不引 起衣内微气候湿度过度增加，因此在热湿条件下，服装的综合散 热、散湿性能对人体热平衡起着重要作用，研究、确定服装热湿 舒适性对提高服装的研究水平和指导人们科学地选择服装有着重 要的意义。世界上关于服装舒适性的研究已有几十年的历史，很 多的学者都对此进行了较深入的探索和研究，也取得了相应得成 果。 大豆蛋白改性纤维与其织物具有良好的手感风格，它的纤 维具有丝的光泽，并且纤维细度细、柔软，使所设计的产品富有 丝绸质感：纤维的手感柔软、滑爽、具有羊毛的保暖性，使织物 具有良好的服用舒适性，故大豆蛋白改性纤维有“人造羊绒”之 称。 第8 页 旦竖丝 1 4 本课题研究的目的和意义 随着科学技术的发展和人们生活观念的转变，人们对服装服 用性的要求，不仅仅局限在穿着的实用性，而且还追求服装的美 观大方以及服用舒适性和功能性。 作为新一代的纤维一一大豆蛋白改性纤维，具有单丝细度 细、比重轻、强伸度高、光泽好、吸湿透湿好等特点，还具有羊 绒般柔软手感、蚕丝般柔和光泽、棉纤维的吸湿透湿性、羊毛的 保暖性等优良的服用性能，满足了人们对穿着舒适性和功能性的 要求和需要。同时作为是由我国率先研制成功并进行产业化生产 的一种纤维，是由我国自主开发，具有完全的知识产权。大豆蛋 白改性纤维的研制成功是我国在开发研制新型纤维方面的一个突 破，是符合我国纤维发展方向的，也是符合世界纤维发展的趋势。 我们对大豆蛋白质改性纤维的主要性能进行系统的研究分析，以 期对该纤维的形态结构，化学和物理机械性能等有较全面的认识 和了解，同时为纤维定性，纺织加工技术研究及其新产品开发提 供理论依据。因此，对现生产的大豆蛋白改性纤维的性能研究和 对其产品的开发，具有重大的现实意义。在具有了这部分的技术 基础之后，还可以为进一步改进纤维的性能及系列开发提供必要 的技术支持，同时为大豆蛋白改性纤维长丝的研制，以及各种异 型纤维、功能性纤维( 包括抗菌保健、防臭、抗紫外线纤维等) 的 研制做了必要的技术准备。再者，大豆蛋白改性纤维的主要原料 是从大豆豆粕中提取的，该豆粕是农副产品大豆榨过油后得到的 饼粕，在我国资源十分丰富，属于废物利用。用这项技术可以大 大提高农副产品的附加值，有效促进农副产品的结构调整和农业 经济的发展。 鉴于以上种种因素，本课题对大豆蛋白改性纤维的性能研究 和对其产品的开发符合当今面料的发展潮流。同时又能给企业提 供生产高附加值和高科技含量产品的机会，还可以为农副产品提 高附加值，有效促进农副产业结构调整，提高我国纺织品在国际 第9 页 第1 章概述 市场的竞争力，扩大我国出口创汇，同时满足国内外市场日益增 长的对高感性，功能性纺织品的消费需求。还可以为企业生产提 供必要的技术支持和技术保障。故意义重大，值的研究。 1 5 本课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容分为下列几个方面： 一、对大豆蛋白质改性纤维的定性研究 1 分析和测试该纤维的各种物理机械性能指标；如：纤维 的断裂强度，断裂伸长，初始模量，弹性模量，卷曲弹性率， 摩擦系数，弹性恢复率等。 2 分析和测试该纤维的各种化学性能指标；如：耐酸耐碱 性，耐溶剂性，耐腐蚀性等。 3 分析并研究该纤维的电学、光学、热学等其他的性能； 如：比电阻，抗静电系数，热收缩，目光牢度，比热等。 4 分析和研究该纤维的微观结构，以此为基础分析纤维在 宏观上的性能体现；运用透射电子显微镜，扫描电子显微镜， 红外吸收光谱图，x 一射线衍射图等先进的测试设备。 5 详细分析该纤维具有的各种宏观性能的微观原因，为纤 维的各种性能提供理论依据，提出改进纤维性能不足的方法。 二、 对大豆蛋白改性纤维性能定位评价及其产品的服用 性能研究，为以后的纤维生产提供一定的理论基础 1 通过对大豆蛋白改性纤维制品服用性能的测试，主要研 究织物的湿热舒适性，尺寸稳定性及手感，并且与其他 纤维制品的服用性能进行对比分析，来评价该纤维的服 用性能。结合纤维的特点，给出纤维的发展方向，与不 同的纤维进行混纺，以期达到改善纤维制品的服用舒适 性的目的。 2 通过测试实验和数据分析，深入研究大豆蛋白改性纤维 的后加工工艺，提出进一步完善该纤维成纤工艺的方法， 第1 0 页 第1 章概述 并通过纤维各种物理、化学性能指标分析，提出改善纤 维纺纱工艺的方法并完善纤维染整加工工艺，还通过对 纤维微观结构的测试和研究，来分析纤维及其制品在宏 观上的表现，给出一定的理论基础。 3 对纤维进行定位评价，给出了纤维的评价体系，并通过 对织物性能的测试验证对纤维评价的正确性。 第1 1 页 第2 章大豆蛋白质改性纤维的研制与内部结构 第2 章大豆蛋白质改性纤维的研制与内部结构 2 1 大豆蛋白质改性纤维的研制工艺简介 大豆蛋白质改性纤维是由河南濮阳华康生物化学工程联合 集团公司李官奇等研制开发并生产的一种新型纺织纤维，它兼具 有天然纤维和化学纤维的许多优点，现就纤维的研制加工工艺简 单介绍如下： ( 1 ) 把榨过油的大豆粕，用浸泡法将大豆蛋白质提取出来， 把提取出来的蛋白质进一步提纯，去掉酶蛋白，杂蛋白，利用球 蛋白。 ( 2 ) 球状大豆蛋白质能溶于水，如果在蛋白质溶液中加入 甲醛、乙二醛或戊二醛、多聚羧酸等交联剂，则在蛋白质分子内 图表2 1 未交联分离蛋白质s p i 和交联蛋白质s p i 戊二醛溶液 p h 值与蛋白质溶解度的关系 第1 2 页 第2 竟大豆蛋白质改性纤维的研制与内部结构 或分子间形成交联，从而减小了蛋白质的水溶性。如果改变大豆 蛋白质溶液的p h 值，大豆蛋白质的溶解性也会发生变化，如图 所示”l 。 由图2 1 可看出，随着蛋白质溶液的p h 值变化，大豆蛋白 质溶解度随之变化：当p h 4 6 时，p h 值升 高( 尤其是p h 6 时) ，其溶解度明显增大。分离大豆蛋白质中 加入戊二醛( g a ) 交联剂后，由于分子间或分子内形成了交联， 溶解度大大下降，因此，在纺丝过程中控制分离大豆蛋白质的p h 值和加入含氰基或羟基高聚物的量是十分重要的。为了把提纯的 蛋白质彻底溶解好，掌握好溶解过程的p h 值，使之保持在1 l 1 2 5 范围之内，使蛋白质分子量控制在一定的范围内，不宜太大。 ( 3 ) 让部分蛋白质和羟基高分子聚合物添加引发剂进行接 枝，其目的是使大豆蛋白质和羟基高聚物达到更好的相溶性，通 过接枝相溶、共聚共混制成非常稳定的纺丝液。 ( 4 ) 纺丝液制成后，试验了各种浓度的纺丝液脱气泡的速 度。 ( 5 ) 根据小试的工艺确定了湿法纺丝的工艺，这时的大 图表2 2 交联大豆生物聚合物和未交联蛋白质的d s c 曲线 第1 3 页 第2 章大豆蛋白质改性纤维的毋f 制与内部结构 豆蛋白纤维中，蛋白质与羟基和氰基高聚物并没有完全发生共 聚，它具有相当的水溶性，还需经过缩醛化处理才能成为性能稳 定的纤维。同时，纺丝后丝条经过交联剂的处理还可以提高大豆 蛋白质改性纤维的强度和耐热性。图2 2 为大豆蛋白质的差热扫 描量热( d s c ) 曲线，由图可知，交联大豆生物聚合物的耐热性 较未交联大豆蛋白质有了明显的提高，吸热峰位置提高了2 0 c 左右。 由此可见，大豆蛋白质改性纤维的化学稳定性、耐热性、 物理机械性能与其分子结构、分子组成和化学交联度有很 大的关系。 ( 6 ) 通过试验各种牵伸倍数，得出不同牵伸倍数的纤维。 由于纤维的模量大，纤维太硬，重点解决了降低模量的处理方 法，使纤维达到一定的柔软程度。 在大豆蛋白质改性纤维分子结构里，由于蛋白质与羟基和 氰基高聚物没有完全发生共聚，这样适当控制蛋白质与羟基和 氰基高聚物的分子量。在纺丝过程中可以制成蛋白质分子分布 在纤维外层的皮芯结构纤维，并且在纤维纺丝牵伸过程中，由 于纤维表面脱水，取向较快导致纤维表面具有沟槽，从而使纤 维具有良好的导湿性【l ”。因为蛋白质分子中含有大量的氨基、 羧基、羟基等亲水基团，从而使该纤维具有良好的吸湿性；通 过纺丝加工工艺的调整使纤维圆形截面改变成哑铃形和不规则 的三角形截面，以及纤维表面的沟槽凹凸现象，使得大豆蛋白 质改性纤维既有天然纤维良好透汽性，也有化学纤维的快速导 湿性，而使的大豆蛋白质改性纤维织物在穿着时有干爽舒适感。 第1 4 页 第2 章大豆蛋白质改性纤维的研制与内部结构 2 2 大豆蛋白质改性纤维的内部结构分析 2 2 1 红外吸收光谱分析 测试纤维时采用固体试样，常有的试样制备的方法有卤 化物压片法、薄膜法等l 。在卤化物压片方法中，最广泛使 用的是溴化钾压片，即把试样( 纤维粉末) 和溴化钾粉末置于 玛瑙研钵中，研成极细的粉末，然后用模具加压形成透明的 片状。但是在压片过程中应注意晶形的改变，部分分解以及 与水的反应等现象，而且溴化钾吸湿性较强，即使在干燥箱 中进行样品的混磨工作，在红外吸收光谱中仍然不可避免地 有游离水的吸收峰出现，使分析结果不准确，因此在制备试 样时我们采用了溶解薄膜法，将试样纤维溶解在三氟乙酸中 ( 溶解性很好) ，然后将溶液倒在玻璃片上，待试剂挥发后 形成一均匀薄膜即可进行测试。 o ： | 旺o l 。jo,o； 习 - 1 0 4 i t l r1 。| 1 。f l t l t i ”1 t r ，：! r “- 一：- 一 4 0 c 0 , 0 ) 6 a v j 0 ) 2 鲫q2 8 0 9 02 0 ：瑚oi m m1 6 0 0 01 4 0 00 1 2 0l 哪0 q 0 神0 04 nl 钿 图表2 - 3 大豆蛋白质改性纤维红外吸收光谱图 第1 5 页 帅。叶。 ，；_=三=吖 二册 付拙m _ ：i 、叫， ：j ，f。7一，： j ! 一 110iii ， ， 7 掣 一 t ”。 _ 。，“燃 一 ， = = 一 、 第2 章大豆蛋白质改性纤维的研制与内部结构 根据红外光谱图，可以明显地发现该纤维有蛋白质纤维 酰胺键的特征吸收峰：3 3 5 0 、1 6 4 0 、1 5 1 0 、2 9 3 0c m ，从而 表明该纤维含有蛋白质。 2 2 2 x _ 射线衍射结构分析 由图2 - 4x 射线衍射相对强度曲线可见，该纤维具有 较高的结晶度和取向度。对x 一射线衍射曲线扣除背底散射 后，根据晶区衍射和非晶区散射的积分面积i 可得大豆蛋 白质 图表2 - 4 大豆蛋白质改性纤维x 射线衍射相对强度图 改性纤维的结晶度为5 6 。可以计算出x 衍射取向度为： 9 0 8 8 。大豆蛋白质改性纤维结晶度、取向度高，从而使 的纤维的断裂强度较大，接近于聚酯纤维；同时其内部大 第1 6 页 第2 章大豆蛋白质改性纤维的研制与内部结构 分子排列紧密使得该纤维纱线和织物染色较难，限制了该 纤维的可染性6 i 。 2 2 3 大豆蛋白质改性纤维的密度 纺织纤维密度与纤维内部的规整程度有密切关系，密度的 测定对探索纤维超分子结构及其纤维性能之间的关系，具有重要 的意义。测定纤维密度的方法有很多种，有浮沉法、比重瓶法、 液体浮力法以及密度梯度管法等等【i7 1 。其中密度梯度管法精确度 较高，亦较简单。本实验中采用的测试方法是密度梯度管法。 大豆蛋白质改性纤维的密度为1 2 7 5 9 c m 3 ，其密度与维纶比 较接近，和羊毛和蚕丝相差不大，在一定程度上体现出大豆蛋白 质改性纤维和毛、丝及合成纤维混纺的良好前景。又可以作为鉴 别大豆蛋白质改性纤维和其他纤维的方法之一。 第1 7 页 第3 章大豆蛋白质改性纤维的形态结构 第3 章大豆蛋白质改性纤维的形态结构 3 1 大豆蛋白质改性纤维外部形态的基本特征 3 1 1 纤维长度 大豆蛋白质改性纤维可根据产品的类型和纺纱的要求，切断成 不同的长度。纤维长度与纺纱工艺及纱线质量有着密切的关系，在纺 织加工工艺上的重要性仅次于纤维线密度( 细度) ，它影响织物和纱 线的品质，而且是决定采用何种纺纱加工工艺和如何选择工艺参数的 重要因素。在纱线结构中长度越长的纤维，纤维与纤维之间的接触长 度越长，当纱线受到外力拉伸作用时，由于长度长的纤维之间摩擦阻 力越大，纤维不易滑脱，在这种情况下造成纱线断裂的原因是以纤维 断裂因素为主，而纤维之间的滑脱因素次之。当纤维长度较短时，纤 维长度就会成为影响纱线强度的主要因素，当纤维长度达到一定的数 值时，则长度对成纱强度得影响相对变小。通常情况下，在保证纱线 具有一定强度的前提下，纤维愈长，可纺出的纱线得极限细度( 支数) 愈细，长度愈短可纺出纱线的细度愈粗( 其中还要考虑纤维的细 度) f l “。 从纺织加工工艺的角度观察，似乎纤维长度越长则越容易加工。 但是，一般用短纤维加工成的纱，有许多特性是长纤维所望尘莫及的。 也就是说，对纤维长度的要求不能简单地一概而论，应该根据需要去 选择，化学纤维则可以根据纺织加工的需要制出各种不同长度的纤 维。 经过湿法纺丝纺出大豆蛋白质改性纤维的短纤维长度主要决定 于纤维与不同纤维混纺时，根据需要而决定纤维的切断长度，因此纤 第1 8 页 第3 章大豆蛋白质改性纤维的形态结构 维的切断长度，主要取决于混纺时混入的其他纤维的长度。为了保证 纺纱的顺利进行，不同组分纤维长度之间差异不能太大。在大豆蛋白 质改性纤维与棉进行混纺时的纤维长度在3 8 m m 左右。在与羊毛纤 维混纺时的纤维切断长度选在8 i m m 左右。 本实验使用的纤维为棉型大豆蛋白质改性纤维，其长度是 3 i 2 纤维卷曲 纤维卷曲是纺织纤维不可缺少的性质之一。纤维的卷曲可以使短 纤维在纺纱时增加纤维之间的摩擦力和抱合力，提高纤维的可纺性 能。一般化学纤维表面光滑，纤维间的抱合力和摩擦力较差，给纺织 加工带来困难，所以化学短纤维在后加工时要用物理或机械方法，使 纤维具有一定的卷曲，以满足纺织加工的需要，提高纤维的可纺性。 纤维卷曲还可改善纤维的弹性和纤维集合体的膨松性，使织物柔软丰 满，具有良好的抗皱性和保暖性，并且对改善纤维和织物的光泽也有 一定的作用，如卷曲产生变化的直线距离小于5 l oum 时，其漫射 可以消除表面极光【1 9 i 。 表3 - i t 大豆蛋白质改性纤维卷曲性能表 l 性能名称性能指标所用标准 l 卷曲率 1 6 5 g b l 4 3 3 8 1 9 9 3 l 残留卷曲率 0 8 8 g b l 4 3 3 8 1 9 9 3 l 卷曲弹性回复率 5 5 4 g b l 4 3 3 8 1 9 9 3 大豆蛋白质改性纤维的卷曲是利用高分子的可塑性对纤维施以机 械加工，从而赋予其锯齿状平面卷曲，这个卷曲在卷曲定形温度以上 的场合会被消除，该卷曲结构在本质上是由于在屈曲的纤维外侧和内 侧的组织不同或不对称而形成的。从上表可以得到，大豆蛋白质改性 纤维的卷曲回复率较低。这是因为纤维卷曲在纤维后加工时用物理机 第1 9 页 第3 章大豆蛋白质改性纤维的形态结构 械方法获得，纤维卷曲不牢固造成的，在纤维纺纱过程中，卷曲易被 罗拉拉直，又因为纤维的卷曲回复率较低，而使纤维卷曲被拉直后， 不易恢复，减小了纤维之间的抱合力，这不仅不利于成纱时纤维的抱 合，给成纱带来一定困难，影响到纤维的可纺性能。同时也将影响到 纤维织物的服用性能；如：抗皱、保暖、手感等。在该纤维做成的织 物服用时，纤维的卷曲恢复率低就表现为织物的尺寸稳定性差，织物 穿着易变形，纤维的弹性也影响着卷曲性能。因此需要改进成纤加工 工艺，并提高纤维本身的刚度和弹性。 3 1 3 纤维细度 细度不仅影响纤维强度、伸长、刚性、弹性和形变的均一性，而 且极大地影响织物的手感、风格以及纤维和织物的制造过程。纤维细 度与纺纱工艺及成纱质量也有密切的关系。在其他条件不变时，纤维 愈细，纺出的成纱强度愈高。当成纱强度一定时，选用较细的纤维纺 出的纱线也越细。这是由于细纤维在成纱横截面内所含的纤维根数 多，纤维之间的接触面积大，摩擦力大，纤维之间滑脱的几率小，因 而使成纱强度提高。纤维细度对成纱条干不匀率也有显著影响。纤维 细度愈细，成纱的条干愈好，条干不匀率愈低。同时，纤维的细度对 纤维的可纺性能也有较大的影响。 本实验所采用的纤维细度为1 3 4 d t e x ，纤维的细度细，因此大豆 蛋白质改性纤维的可纺性能较好，由这种纤维纺成的纱线截面积不匀 率数值小，纱线的条干好，并且纤维与其他纤维的混纺性能较好。由 于纤维的细度细，使的织物表面光洁，纹路清晰，手感滑爽。但是， 由于纤维的细度细，而使由大豆蛋白质改性纤维的纯纺纱线织成的织 物的耐起毛起球性差，当织物受到摩擦时，纤维容易露出头端，在织 物的表面表现为起毛，为了提高该纤维织物的耐起毛起球性能，将纤 维和其他纤维进行混纺