（纺织工程专业论文）大豆蛋白质改性纤维的性能及应用研究.pdf

摘要 大豆蛋白质改性纤维属再生植物蛋白质纤维，是采用化学、生物化学等方法 从脱脂的大豆豆渣中提取球状蛋白质，再添加功能性助剂，经湿法纺丝而成的， 该纤维具有羊绒般的柔软手感、蚕丝般的柔和光泽、羊毛般的保暖性、棉般的舒 适性，有着广阔的发展前景。 大豆蛋白质改性纤维作为一种新型纺织纤维材料，有关其结构和性能的研究 在国外尚无报道国内的研究也处于初级阶段。本课题对大豆蛋白质改性纤维的 结构进行了研究，包括纤维组成、氨基酸成分、结晶结构等；并对纤维的性能进 行了系统的测试和分析。在充分了解大豆蛋白质改性纤维结构和性能的基础上， 丌发了系列健身服装。 目前国际上的技术趋势是朝着高技术、高质量、高效益、低成本的方向发展， 尤以计算机信息化为特点。计算机技术的发展也推动了纺织行业的技术进步。本 课题在大豆蛋白质改性纤维产品丌发过程中应用计算机技术解决了生产中的两 个问题。 一是对大豆蛋白质改性纤维和维纶纤维进行鉴别方法的研究。大豆蛋白质改 性纤维与维纶纤维在化学性能和形态结构上非常相似，本课题基于大豆蛋白质改 性纤维利维纶纤维的纵向光学显微镜照片，利用m a t l a b 工具箱中的支持向量 机和判别分析两种方法进行纤维鉴别的研究。支持向量机是近年来在统计学习理 论基础上发展起来的一种模式识别新方法，在解决小样本、非线性及高维模式识 别问题中表现出特有的优势。研究结果显示，用支持向量机进行分类可获得1 0 0 的f 确率，且速度快、操作简便。适于企业仿样设计以及质量监督部门质量监控 时应用。 二：是利用神经网络技术根据纤维性能和加工参数预测纱线拉伸性能。多年 来，这一问题主要使用数学或经验模型解决，近十年来，神经网络被用于解决这 问题。利用神经网络建立纱线质量预测模型，可以利用网络将经验汇总起来。 如果能提供足够的数掘，便可以取代工厂利j | | 工艺人员的经验设计生产工艺、制 作小样来预测成品质量的方式，节省大量的人力、物力和时削。另外实际生产过 程中某些性能指标与原料性能以及工艺参数的非线性关系非常复杂，通过神经网 络则可以迅速、准确地完成这项任务。本课题选用三种预测方法进行比较：b p 神经网络、径向基函数网络和传统的多元线性回归方法。结果表明，用径向基函 数网络可以达到较高的预测精度，且网络稳定、结果唯一。如果能不断地积累并 选择训练数据，网络的预测准确性将进一步提高。本课题在最优预测模型基础上， 还进行了纺纱工艺的优化，主要解决在保证纱线具有一定强度的前提下，如伺使 纱线捻度最小。预测结果较为满意、用户界面友好。 用神经网络列纺织生产进行控制时得不到任何公式、经验数值等输出形式， 所以有人将其比喻为“黑箱子”，即只能看到结果，无法得知其中的过程。但是 这种方法的系统自适应性、容错能力在应用过程中可以解决许多传统方法无法冉犁 决的难题，必将拥有广阔的应用前景。 关键词：大豆蛋白质改性纤维纤维鉴别纱线拉伸性能预测神经网络 a b s t r a c t s o y b e a np r o t e i nm o d i f i e df i b r e ，o n eo ft h er e g e n e r a t e dp l a n t p r o t e i nf i b r e s ，c a n b ew e t s p u nb yu s i n gt h eg l o b u l a rp r o t e i ne x t r a c t e df r o n at h ed e g r e a s e db e a nd r e g s w i t ht h ea d d i t i o no fs o m ef u n c t i o n a la g e n t s i ti s a ni d e a la n dp r o s p e c t e dt e x t i l e m a t e r i a l i t sh a n d l ei sa ss o f ta sc a s h m e r e ，i t sc o l o u ri sa sd e l i c a t ea ss i l k ，i t sw a r m t h r e t e n t i o ni sa sn i c ea sw o o l ，i t sc o m f o r ti sa sf i n ea sc o t t o n a sam o d e r nt e x t i l e m a t e r i a l ，s o y b e a np r o t e i n m o d i f i e df i b r e ss t r u c t u r ea n d p r o p e r t yh a v en o tb e e ns t u d i e dt h o r o u g h l y r e p o r t si nt h i sf i e l dr e m a i ng a p sa b r o a d a n ds u p e r f i c i a la th o m e r e s e a r c ho ft h es t r u c t u r eo fs o y b e a np r o t e i nm o d i f i e df i b r e w a sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r , w h i c hi n c l u d e st h ec o m p o n e n t ，t h ec o n t e n to fa m i n o a c i d s ，t h ec r y s t a l l i n i t ye t c p r o p e r t i e so ft h ef i b r ew e r ei n v e s t i g a t e dm a da n a l y z e d s e r i e so f s p o r t s w e a rw e r ed e v e l o p e d n o w a d a y s ，t e c h n i q u ei sd e v e l o p e dt o w a r d sh i g h - n e w t e c h n i q u e ，h i g h - q u a l i t y ， h i g h - b e n e f i ta n dl o w - c o s t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c l m o l o g y ，g r e a t c h a n g e sh a v et a k e np l a c ei nt h et e x t i l ei n d u s t r y t h ep a p e rm a i n l yd e a l sw i t ht w o p r o b l e m si nt h es o y b e a np r o t e i nm o d i f i e df i b r e sp r o c e s s i n gb yu s i n gt h ec o m p u t e r t e c h n o l o g y t h ef i r s ti st h ei d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u eb e t w e e ns o y b e a np r o t e i nm o d i f i e df i b r e a n dp v a f i b r e ，b e c a u s et h et w oa r es i m i l a ri nc h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dm o r p h o l o g i c a l s t r u c t u r e s w i t ht h el o n g i t u d i n a ls e c t i o ni m a g e so f l i g h tm i c r o s c o p ya n dm a t l a b t o o l b o x e s ，t w oi d e n t i f i c a t i o nm e t h o d s ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n ea l a dd i s c r i m i n a t e a n a l y s i s ，a r ec o m p a r e d t h ef o r m e ri sam o d e r ni d e n t i f i c a t i o np r o c e s sd e v e l o p e d0 n t h eb a s eo fs t a t i s t i c a ll e a r n i n gt h e o r y , w h i c hi ss u i t a b l ef o r p r o b l e m sw i t hf e ws m n p l e s ， n o l l l i n e a ro r h i g h d i m e n s i o n t h er e s u l tr e v e a l e dt h a tt h ec o r r e c tr a t eo fs u p p o r t v e c t o rm a c h i n ew a s10 0 ，a n di t sp r e d i c t i o np r o c e s sw a sf a s ta n ds i m p l e i ti si d e a l f o ri m i t a t i o nd e s i g n sa n d q u a l i t yi n s p e c t i o n si nt h ee n t e r p r i s e s t h es e c o n di st h e p r e d i c t i o no fy a r nt e n s i l eb e h a v i o u rb a s e do nt h ef i b e rp r o p e r t y a n dp r o c e s s i n gp a r a l n e t e r sb yu s i n gn e u r a ln e t w o r kt e c h n i q u e t h i sw a sm a i n l yd o n e b yt h em a t h e m a t i c so re x p e r i e n c em o d c l si nt h ep a s t i nt h el a s t10y e a r s ，n e u r a l n e t w o r kh a sb e e n u s e dt o r e p l a c e t h et r a d i t i o n a lm e t h o df o rt h e y a r np r o p e r t y p r e d i c t i o n w h e nn e u r a ln e t w o r ki si n v o l v e d ，t h ee x p e r i e n c ec a nb eg a t h e r e d i f e n o u g hd a t aa r es u p p l i e d ，n e u r a ln e t w 0 1 km o d e lc a l lr e p l a c et h es a m p l ep r o c e s s i n g ， w h i c hi sa p r o c e s sw i f l ag r e a tc o n s u m p t i o no fm a n p o w e r , m a t e r i a lr e s o u r c ea n dt i m e 3 t h em o s t i m p o r t m a t i st h a tn e u r a ln e t w o r km o d e l c a l ls o l v et h en o n l i n e a r r e l a t i o n s h i p sb e t w e e n t h ef i b r ep r o p e r t y , m a c h i n ep a r m n e t e r sm a dt h ey a r np r o p e r t i e s t h r e em e t h o d sw e r ee m p l o y e di nt h er e s e a r c hf o rc o m p a r i s o n ，t h e ya r eb pn e u r a l n e t w o r k ，r b fn e u r a ln e t w o r ka n dt h et r a d i t i o n a ll i n e a rm u l t i - r e g r e s s i o nm e t h o d t h e r e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h er b fn e u r a ln e t w o r km o d e lw a sc o n s i d e r e dt ob ew i t l lt h e h i g h - p r e c i s i o n ，s t a b l e s t r u c t u r ea n ds o l e r e s u l t a n di t w a sf o u n dt h a tt h em o r et h e t r a i n i n gd a t a ，t h eh i g h e rt h ep r e c i s i o n o ft h e m o d e l s p i n n i n gp a r a m e t e r s w e r e o p t i m i z e db a s e do i lt h eb e s tp r e d i c t i o nm o d e l ，t h el o w e s ty a r nt w i s t ，a n dd e f i n i t ey a r n s t r e n g t h s a t i s f i e dr e s u l t sw e r ea c h i e v e da n dt h eu i i sg o o d c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d ，w h e nu s i n gt h en e u r a ln e t w o r kt oc o n t r o l t h et e x t i l ep r o c e s s i n g ，n oo u t p u to ff o r m u l ao r e x p e r i e n c e dd a t ac a nb ee x p e c t e d t h a t i st h er e a s o ni t g e t st h en i c k n a m e “b l a c kb o x ”，w h i c hm e a n so n ec a no n l ys e et h e r e s u l t sw i t h o u t k n o w i n ga n y t h i n g i nt h ep r o c e d u r e w i t ht h e s e l f - a d a p t a b l i t ya n d m i s t a k et o l e r a t ea b i l i t y , t h en e u r a ln e t w o r kc a ns o l v ep r o b l e m sd i f f i c u l tt od e a lw i t hi n t h et r a d i t i o n a lw a y a st h er e s e a r c hc o n t i n u e s ，t h en e u r a ln e t w o r k m a y s e eab r o a d e r p r o s p e c t k e yw o r d s ：s o y b e a np r o t e i nm o d i f i e df i b r e ， f i b r ei d e n t i f i c a t i o n ， p r e d i c t i o no f y a r nt e n s i l eb e h a v i o u r , n e u r a ln e t w o r k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得丞洼王些盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：嵇弦 签字日期：2 。咩年) 月) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权云洼王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 嵇弦导师签名 签字同期：如。手年2 - 月】j 日 签字日期文 f 彬乏 ：矽。月如 奎望二些：苎兰堡! ：兰垡丝兰一 第一章引言 1 1 国内外再生蛋白质纤维的研究情况 国外对再生蛋白质纤维的研制开发工作开始得较早。从1 9 世纪术至今，先 后出现过酪素纤维、再生丝素蛋白纤维、玉米纤维、花生蛋白纤维、大豆蛋白纤 维等多种重要的再生蛋白质纤维。但出于各种原因，如纤维强度低、沸水收缩率 高、蛋白质含量低、制造成本高等，都没有得到工业化发展。l 从2 0 世纪9 0 年代丌始，国内外对再生蛋白质纤维的研制工作又重视起来。 同本东洋纺公司丌发出了以新西兰牛奶为原判、与丙烯腈接枝共聚的再生蛋白质 纤维“c l a i n o n ”，是目前世界上唯一实现工业化生产的酪素纤维【2 。3 1 。美国杜邦 公司对玉米蛋白质纤维的制造过程和纤维性能进行了研究，研制出含有交联剂的 玉米蛋白质纤维，浚纤维具有舒适、保暖、手感爽滑等特点。杜邦公司采用基因 重组d n a 技术，生产出的蜘蛛丝纤维具有非常好的弹性和强度，且重量轻，可 用于生产防弹衣。1 4 5 1 到目前为止，国外尚没有纺织用大豆蛋白纤维产品。 我国对再生蛋白质纤维的研究工作起步较晚，2 0 世纪5 0 年代、7 0 年代曾分 别对蛋白质纤维进行过初步探索，但未获成功。2 0 世纪9 0 年代，四川省曾对蚕 蛹蛋白质纤维进行研制，但由于蛋白质含量和纤维干、湿强度都非常低，在织造 和印染加工中问题较多，严重影响了该类产品的开发和技术推广。同期，东华大 学、金l l f 石化曾对酪素丙烯腈接枝共聚物的纺丝进行研究，但亦停留于理论探 讨，未见其产品：复旦大学和东华大学曾对再生丝素溶液的纺丝进行过研究，办 未能实现工业化生产。最近上海正家服装有限公司开发出了牛奶纤维，纤维性能 优良，但成本极高，难以大量推广。1 6 大豆蛋白质改性纤维是河南濮阳华康生物化学工程联合集团公司董事长李 官奇先生投资7 0 0 0 多万元、潜心研究1 0 余年、于2 0 0 0 年3 月在河南试纺成功 的再生植物蛋白质纤维，并在国际上首次成功地实现了工业化生产。该纤维是将 榨过油的大豆粕浸泡，利用高新技术分离出豆粕中的球蛋白、再进行提纯，与羟 基高聚物共混，制成一定浓度的蛋白质纺丝溶液，利用现代纺丝没备，经湿法纺 丝而成。 大豆蛋白质改性纤维是目前中国唯一。具有知识产权、并工业化生产的人造纤 维品种，浚纤维具有羊绒般的手感、羊毛般的保暖、蚕丝般的光泽和棉般的舒适。 凶此，一经面世就引起业内人士的极大关注，被认为是一种极具发展潜力的人造 天津t 业火学搏i 。学位论文 纤维。目前，已被列入国家火炬计划项目、国家重点新产品试制计划、国家重点 工业产品扩大出口专项规划等重点项目。该纤维通常被称为大豆蛋白纤维、大豆 纤维、豆纤等。 2 0 0 0 年以来，国内纺织院校、科研院所、生产企业等掀起了研究大豆蛋白 质改性纤维的热潮，研究主要集中在大豆蛋白质改性纤维及织物的性能7 - 2 1 1 ，大 豆蛋白质改性纤维纯纺或混纺的纺纱工艺f 2 2 47 1 ，大豆蛋白质改性纤维的纱线纯 织或交织、混纺织物的设计与织造工艺研究【2 8 “。，大豆蛋白质改性纤维及织物 的染整工艺【4 1 - 6 3 1 等方面。 在2 0 0 3 年奥地利道尔宾举行的第4 2 届国际人造纤维会议上，大豆蛋白质改 性纤维受到各国专家的广泛关注和好评。 1 2 课题的提出、内容和意义 1 2 1 课题的提出 随着人们生活质量的提高、生产结构的调整和生活观念的改变，体育运动成 为人们生活当中不可缺少的重要部分，体育消费办己发生了深刻的变化，这一变 化给体育产业，尤其是纺织服装工业的发展带来了重大的影响。同本s s f 财团 的调查资料显示，国际家庭体育消费水平呈迅速增长趋势，消费内容也趋于多样 化和长期化。运动服装消费是体育消费的重要内容之一，在体育消费中占有较大 的比例。 1 9 9 8 年全球运动服装销售近1 0 0 0 亿美元，预计到2 0 1 0 年，运动服装市场 会因各种体育运动会的增加和体育健身运动的继续普及而比现在扩大3 0 ，每年 递增l 4 1 6 4 1 。 女性运动人口的增加，在未来扮演着运动服装市场的主要需求动力之一。掘 分析在未来十年内，发达国家女性运动人口的增加速度将超过1 0 。运动服装的 需求将突出表现为总量上的快速增长，并且由以往的单调转向多样化，形成个性 化的消费模式。 而目前，我国的体育消费结构单一、水平较低，这与我国的经济发展水平和 体育社会化程度有很大关系。但是，我国的体育产业具有很大的市场发展潜力。 随着国民收入的迅速提高和人们工作时数的减少，将有更多的人参与运动与健 身，体育消费必将得到显著提高。 我国服装科技信息中心对国内5 0 0 家品牌运动服装企业进行了详细的调研。 调研的内容包括影响企业选择运动服装面料的冈素、企业对面料的性能要求等， 天津t 业大学博【学位论文 同时分析了今后国内运动服装市场的发展趋势k ”。 图1 1 反映了影响运动服装企业选择面料的因素。 图1 - l 影响运动服装企业选择面料的因素 从图1 - ! 中可以看出，运动服装企业选择服装面料时，最注重的是面料的品 质，其次是面料具有的独特功能性、面料的价格和品牌。 各运动服装企业对面料的功能性要求也有不同的侧重。图1 - 2 所示为企业对 运动服装面料主要性能的需求情况。 图1 - 2 运动服装企业对面料的性能要求 出图1 2 可知，运动服装企业在面料的性能方面最着重强调环保因素，面料 的弹性、吸湿、放湿等性能指标也是企业重点考虑的因素。 国内运动服装企业根据自身的现状以及今后市场的发展，对希望拓展的运动 服装种类进行了选择，如图l 一3 所示。 墨堡! 些查堂堂：! ! 堂垒堡苎 图1 3国内运动服装企业的种类拓展情况 由图l 一3 可知，今后国内运动服装企业发展的趋势是：健身服和功能性休闲 服将拥有较大的空f a j ，其次是游泳服、高尔夫球服、户外服、滑雪服等。由此可 见，健身服装在国内运动服装市场具有较好的发展6 u 景。 现代人追求高质量的生活方式，对健身、娱乐、休闲等非生活必须的消费支 出不断增加，包括运动服装在内的消费总量持续上升。由于生活环境的不同，消 费者的价值观、审美观、消费观等纷繁多样，对健身服的消费也是多元化和多层 次的，并呈现从低层次向高层次渐变的趋势。主要表现为：对面料的性能和质感 更加挑剔，更加重视环保、品牌、款式、色彩等因素，对舒适功能性的要求更高。 因此本课题首先将产品开发定位在女式紧身健身服装。 市场调研中发现，目前市场上销售的紧身健身服装，原料以棉纤维和弹性纤 维为主。多数面料中棉和弹性纤维混纺比例为9 0 1 0 ，纬平针组织的针织物居多， 也有少量的复合纬编组织和经编组织。 大豆蛋白质改性纤维是我国研制生产的一种新型可再生蛋白质纤维，纤维的 商业化生产标志着我国大豆蛋白质改性纤维的生产技术达到国际领先水平。有关 研究表明：大豆蛋白质改性纤维的导湿性仅次于丙纶、涤纶，优于腈纶、锦纶、 真丝纤维；纤维的透汽性优于真丝、丙纶、涤纶、腈纶、锦纶纤维；纤维导湿、 透汽、干爽j 。大豆蛋白质改性纤维针织物的保暖性与棉针织物处于同一水平， 高于腈纶针织物而低于羊毛针织物。大豆蛋白质改性纤维织物的抗弯弹性模量小 于蚕丝、棉纤维织物的抗弯弹性模量，织物手感柔软1 1 2 l 。大豆蛋白质改性纤维织 物的悬垂性优于蚕丝织物。大豆蛋白质改性纤维的静电效应小，有利于纺织加工 和衣着应用“。 由此可见，大豆蛋白质改性纤维非常适合丌发高品质的功能性织物及服装。 利用大豆蛋白质改性纤维开发功能性健身服，既满足了运动服装市场的紧迫需 求，又提高了产品的经济效益和社会效益，前景一阔、意义重大。 而近些年来，随着计算机的普及以及计算机性能的不断提升、价格的不断降 4 丕望三些盔堂苎主兰堡堡兰一 低，在各个领域的应用日益扩大。目前计算机在纺织上的应用包括：原料结构优 化技术( 如计算机配毛、配棉) 、纺织预测技术、疵病诊断技术、工艺辅助设计 和辅助制造系统、纺织快速反应系统、质量管理系统、机电一体化( 如以计算机 为核心的控制系统) 等。计算机的应用有利于技术的发展与形成，对行业技术进 步的推动作用是极其深远的。总的来说，运用计算机技术，可以缩短设计时问、 提高设计质量、降低成本。利用计算机技术科学指导大豆蛋白质改性纤维的产品 开发，对扩大纤维应用领域有重要意义。 本课题受到以下两个项目的资助：陕西省重点实验室重点科研项目“大豆蛋 白纤维运动舒适性的研究及功能性服装的开发”( 项目编号：0 2 j s 2 2 ) 和河南濮 阳华康生物化学工程联合集团公司资助横向项目“大豆蛋白纤维健身服装开发与 研究”。 1 2 2 课题的内容 ( 1 ) 利用大豆蛋白质改性纤维开发健身服装 大豆蛋白质改性纤维是一种新型纺织纤维，不仅具有优良的吸、放湿性能。 其良好的生物相容性、怡人的光泽、柔软的手感和高贵的风格更是其他纤维无法 比拟的。本课题在深入研究大豆蛋白质改性纤维结构与性能基础上，充分利用大 豆蛋白质改性纤维优越的物理化学性能，开发健身服装。 ( 2 ) 大豆蛋白质改性纤维与维纶纤维的鉴别 出于大豆蛋白质改性纤维与维纶纤维在化学性能和形态结构上非常相似，给 鉴别带来了一定的困难。本课题根据纤维的光学显微镜照片，对其进行分类研究， 为纺织企业的仿样设计、质量监督部门的工作带来便利。 ( 3 ) 预测大豆蛋白质改性纤维纯纺、混纺纱线的拉伸性能 纤维一纱线生产过程的一个重要方面是最终纱线的质量。本课题充分利用企 业较少的批量生产品种，开发一种快速、简单、准确的方法，对大豆蛋白质改性 纤维纯纺、混纺纱线的拉伸性能进行预测，可减少企业小样试纺的投入。 ( 4 ) 大豆蛋白质改性纤维纺纱工艺优化 在大豆蛋白质改性纤维纱线拉伸性能预测模型基础上，对纺纱工艺进行优 化，以科学指导纺纱生产。 1 2 3 课题的意义 ( 1 ) 利用大豆蛋白质改性纤维开发功能性健身服具有实用价值 天津工业大学博士学位论文 目前，运动服装市场需求迅猛增长，国内健身服装市场拥有巨大的发展空剐。 而大豆蛋白质改性纤维是由中国独立研制开发，并产业化生产的一种新型人造纤 维，设计开发大豆蛋白质改性纤维功能性织物和健身服装，既是大豆蛋白质改性 纤维产品丌发的一种崭新的尝试，也是运动服装市场的紧迫需求，具有重要的实 用价值和理论意义。 ( 2 ) 拓宽大豆蛋白质改性纤维的应用领域具有经济价值 我国是大豆的故乡，产量排在美国、巴西和阿根廷之后，居世界第四。据国 家大豆工程技术中心统计，当前初具规模的大豆加工企业共4 3 0 0 家，其中一半 以上是榨油企业。而目前我国大豆深3 h q - 的技术、设备同发达国家相比仍存在一 定差距，其结果使得大豆产品结构单一惮】。中国食品报2 0 0 2 年1 1 月1 4 日报道： 未来五年，中国大豆加工量将迅速增长：年加工量将达到3 0 0 0 万吨左右，其中 制油、豆粕、发酵酱油和用于饲料工业的大豆将超过2 0 0 0 万吨。 而用于生产大豆蛋白质改性纤维的大豆蛋白是从豆粕中提取的，豆粕是大豆 榨过油后的饼粕，是来源丰富的农副产品。1 0 0 k g 豆粕可提取4 0 k g 植物蛋白质， 利用率高。加工成的大豆蛋白质改性纤维作为一种纺织原料，具有重要的经济价 值。中国作为一个纺织大国，每年都要消耗大量的纺织原料。仅管随着化纤工业 的发展，我国化纤产量从1 9 6 0 年的1 万吨增加到2 0 0 0 年的6 9 0 力，吨，居世界第 一。但我们每年还要进口化纤原料1 3 0 万吨，占进口纺织原料的6 3 左右。大豆 蛋白质改性纤维的研制成功，将极大地改善这一状况。 ( 3 ) 充分利用计算机这一工具对新产品开发具有理论指导意义 采用新型纺织材料开发产品时总会出现这样或那样的问题，如质量难以稳 定、开发成本高、加工过程对原料的适应期长等问题。主要是由于在产品开发过 程中尚未完全摆脱经验控制模式，产品丌发技术仍徘徊在中低水平上，缺乏较为 科学、系统的方法和技术。 在产品开发过程中引入计算机技术，其优势是缩短设计时| 白j 、提高设计质量、 降低成本，具有重要的理论指导意义。 天津t 业大学博j 学位论文 第二章大豆蛋白质改性纤维结构与性能 2 1 大豆蛋白质改性纤维生产工艺流程 区亟垂亟习匝亟至巫亟口 陬磊磊而磊丽而磊磊- l 脱泡 湿法纺丝 丝条在凝i 古| 浴中凝i 蒯 0 空气牵伸 t 湿浴牵伸 + 烘干热牵伸 0 定型成为半成品 0 缩醛化 灭津工业人学博学位论文 水洗 + 上油 0 烘干 上 卷曲 一r 定刑 上 切断 图2 1 大豆蛋白质改性纤维的生产工艺流程 河南华康生物化学工程联合集团公司遂平厂自2 0 0 0 年f 式投产，目前有2 条生产线，年产0 5 万吨。常熟市江河天绒丝纤维有限责任公司是第一家万吨级 大豆蛋白质改性纤维生产企业，共有1 2 条生产线，总规模是年产i 8 万吨，首 期0 9 万吨已于2 0 0 3 年4 月1 日建成投产。 大豆蛋白质改性纤维作为我国原创的高科技成果，已初步实现工业化、迈向 产业化。目前生产的主要品种有：( 0 9 1 。1 ) d t e x 3 8 n u n 和( 1 2 1 7 ) d t e x 7 6 r a m 。 2 2 大豆蛋白质改性纤维的组成与结构 大豆蛋白质改性纤维主要由植物蛋白质和高分子聚乙烯醇组成。 2 2 1 蛋白质组成及其结构 大豆作为食用植物种子，含有多类组分，最主要的有粗蛋白、粗脂肪、糖类 物质等。大豆榨油所得的粗脂肪即为豆油。榨油后的豆粕( 或称豆饼) 脱脂后主 要含有粗蛋白、糖类物质及粗纤维等 6 8 o 大豆饼粕约含4 1 5 0 的蛋白质，历 来被作为饲料、肥料和酿造酱油、醋的原料，经济效益不高。利用大豆蛋白质， 制成纺织纤维，可获得较高的经济效益。 从豆粕中提取蛋白质的过程简单描述如下1 6 9 1 ：先向饼粕粉中加入碱溶液，控 制p h 值，使蛋白质在水中充分溶解；然后过滤除渣，加酸调节滤液的p h 值到 等电点( p h = 4 6 ) 附近，蛋白质又沉淀析出，过滤、干燥即可。 蛋白质是生物高分子，化学结构极其复杂，种类繁多。不论哪一类蛋白质， 丕塑三些查堂壁主堂垡堕苎一 受酸、碱或酶的作用，都会水解生成0 【氨基酸的混合物。n 止kc 【- 氨基酸( 即氨 基处在羧基的邻位c c 一碳原子上) 是构成蛋白质的“基石”。自然界存在的氨基酸有 2 0 0 种以上( 在蛋白质中发现的仅2 0 种) ，其中绝大部分是n 一氨基酸。叫 根据性质不同，氨基酸可分为三种：中性氨基酸( 氨基酸分子中氨基和羧基 的数目相等) 、酸性氨基酸( 氨基酸分子中氨基的数目少于羧基) 和碱性氨基酸 ( 氨基酸分子中氨基数目多于羧基) 。 用1 2 1 m b 型氨基酸分析仪测定大豆蛋白质改性纤维中氨基酸含量：将清沈 后的纤维溶于6 m o l l 的盐酸溶液，在1 i oo c t 水解2 2 h ，蒸干，然后使用氨基酸 分析仪测定大豆蛋白质改性纤维的氨基酸残基种类及含量。测试结果见表2 - 1 。 表2 1 氨基酸组成 l j i 氨基 氨基 中国大豆脱 大豆蛋白质酸总量羊毛角蛋白桑蚕丝素 酸氨基酸种类 脂蛋自 改性纤维的 f m g g 蛋向)f n l e g g 蚩 ( m e g g 蛋白) 1 7 ij 向) 川 性质 f 6 8 】 ( m g g 纤维) 比例 ( ) 竞氨酸( l e u ，) 6 6 8 01 4 1 19 3 1 37 4 3 97 507 加_ 8 脯氨酸( p r o ) 5 3 6 31 07 47 0 8 83 4 0 7 2 00 4 25 苯丙氨酸( p h e ) 4 4 5 09 】5 56 0 4 232 6 5 8 605 3 4 缬氨酸( v a l ) 4 5 5 47 8 5 65 1 8 52 8 0 6 8 03 o 3 5 异竞氨酸( 1 i e ) 4 4 5 l7 ，8 2 55 1 6 53 3 5 3 、7 40 ，8 o 9 丙氨酸( a l a ) 3 6 4 57 4 0 04 8 8 43 2 9 5 7 02 6 4 3 5 7 中性丝氨酸( s e t ) 4 6 5 67 ，2 9 94 8 1 72 9 0 9 6 01 2 6 1 6 2 苏氨酸( t h r ) 3 6 4 35 5 5 236 6 45 0 0 7 0 2】2 1 6 胱氨酸( c y s - c y s ) 1 3 1 60 1 3 6 50 0 9 0 l1 0 8 4 1 22 800 3 0 9 蛋氨酸( m e t ，) 1 3 1 616 3 41 0 7 80 4 9 - - 07 100 3 o 2 酪氨酸( 7 y r ) 3 5 3 90 2 2 3 5o 1 4 7 52 2 4 “7 61 06 1 28 色氨酸( x r p ) l l 1 31 8 1 81 2 0 00 6 4 1 8 00 4 o 8 甘氨酸( g l y ) 3 4 3 47 2 8 54 8 0 83 1 0 - - 6 5 03 7 5 - 4 8 3 精氨酸( a r g ) 7 5 8 41 1 f 27 3 3 97 9 0 1 2 i o0 8 1 9 碱性 赖氨酸( t o y s ) 6 0 - - - 6 969 2 44 5 7 02 8 0 5 7 0 0 2 09 组氨酸( h i s ) 2 2 2 72 8 9 71 9 1 2 0 6 2 20 5o 3 08 谷氨酸( g l u ) 1 8 4 2 l o3 2 2 32 12 7 1 2 3 0 1 6 o oo 2 3 o 酸性 天门冬氨酸( a s p ) 1 0 3 1 2 01 73 l1 1 4 25 9 4 9 2 0 0 7 2 9 、p 胱氨酸( c y s ) 1 4 4 1 7 7 中性羟基脯氨酸 】5 ( h y p ) 合计 l5 l5 1 51 0 0 天津工业人学博【：学位论文 巾国大豆脱脂蛋白中氨基酸的含量比例与动物蛋白质有很大区别。柔性链非 极性氨基酸特别是甘氨酸、丙氨酸等含量极少，胱氨酸不足2 ；具有较大侧基 的极性氨基酸如谷氨酸、精氨酸、赖氨酸等含量较高。 大豆蛋白质改性纤维的氨基酸成分占纤维总重量的1 5 1 5 ，其中中性氨基 酸含量占氨基酸总量的5 3 4 8 3 ，碱性氨基酸占1 3 8 2 1 ，酸性氨基酸占3 2 6 9 6 。 可见，大豆蛋白质改性纤维中各种氨基酸主要以盐式键连接。 一般1 7 一氨基酸都是无色的结晶固体，在水中的溶解度不大。只有甘氨酸、丙 氨酸、赖氨酸和精氨酸是易溶于水的【7 。大豆蛋白中这一部分氨基酸的含量约占 氨基酸总重的2 1 6 。 一分子氨基酸的羧基与另一分子氨基酸的氨基失水形成的酰胺键 o f f ( 一c n h 一) 叫肽键。氨基酸通过肽键连接起来的化合物叫肽，两个氨基酸 形成的肽叫二肽，三个氨基酸形成的肽叫三肽，多个氨基酸形成的肽叫多肽。天 然多肽是由不同的氨基酸所组成的，这是它与多糖不同的地方。 7 0 1 蛋白质是多肽，大多有1 0 0 个或更多的氨基酸残基( 因为组成肽键的氨基酸 单位已不是完整的氨基酸分子，而是一陪卜c 卜卜c 口一单位，所以叫做氨基酸残 l r 基) 。所以多肽和蛋白质之间没有严格的分界线。【7 0 】 大豆蛋白质改性纤维中具有网状桥键的氨基酸( 如胱氨酸、蛋氨酸) 含量仅 占1 7 7 ，而羊毛中仅胱氨酸含量就接近1 0 8 4 1 2 2 8 ，因此大豆蛋a 质改性 纤维大分子链不具有类似羊毛纤维大分子链的稳定的二硫键结构。 桑蚕丝素的胱氨酸含量也较少，但其甘氨酸、丙氨酸的含量约占7 0 ，使其 氏链大分子的规整性好，有较高的结晶性刖；而大豆蛋白质改性纤维的甘氨酸、 丙氨酸含量不足1 5 ，因此大豆蛋白质改性纤维的蛋白质分子很难形成平行伸直 链和结晶，而成球状分子链。 用离心沉淀法的沉淀常数可以区分出的大豆蛋白分子至少有四类，即1 5 s 球 蛋白、1 1 s 球蛋白、7 s 球蛋白和2 s 球蛋白。用电泳层析方法也可区分出这几类 大豆蛋白分子。含量见表2 2 。 天津t 业火学博i 。学位论史 表2 - 2 大豆蛋白中大分子的种类【6 8 】 名称沉淀常数法的含量( )电泳层析法的含量( ) 1 5 s71 0 l l s4 24 0 ，s3 43 l 2 s1 5 1 4 其它25 合计1 0 01 0 0 可见，大豆蛋白分子中最主要的是1 1 s 大豆球蛋白和7 s 球蛋白，两者占7 5 左右。研究表明，这两种球蛋白有明显的亚结构和立体结构。 球状大豆蛋白质能溶于水，如果在大豆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，则在蛋白质分子内或分子问形成交联，从而可减小蛋 白质的水溶性。 一般认定人造蛋白质纤维分子结构同天然蛋白质纤维，是d 型链的微小结晶 颗粒。 7 2 1 2 2 2 聚乙烯醇 聚乙烯醇大分子每个链节上都有一个亲水的o h ，因此制成的纤维是水溶性 的，使用价值受到限制。为提高纤维的耐热水性能，n - 对纤维进行缩甲醛处理， 缩甲醛使纤维中无定形区中的自由羟基在酸性条件下与甲醛缩合，生成疏水性的 醚键，降低纤维的亲水性。 h 七h 厂c ih - - c h z - - c j h 一+ h 。c o 一洲厂c h 一洲2 _ 7 卜+ h 2 0 o ho ho c h o 大豆蛋白质改性纤维的缩甲醛特征也在红外吸收光谱图中得到证明。 2 2 3 晶区取向度 大分子排列方向与纤维轴向符合的程度叫取向度。纤维中大分子取向度较高 州r 纤维的拉伸强度一般较高、伸长能力较小：纤维的光学、力学等性能的各向 异性特点比较明显，如双折射率较高、各向弹性模量差异较大等。u i 用x 射线衍射法可测得晶区分子和晶体取向度。选用r i g u k ur a d y a 型骆 转极x 射线衍射仪( 电压4 0 k v ；电流2 0 0 m a ；铜靶k c 【射线，柠0 1 5 4 2 肌1 ：样 品到底片距离5 0 n m ，曝光时问3 r a i n ) ，以平行纤维束照相法，得到大豆蛋白质 改性纤维的广角x 射线衍射照片( 见图2 - 2 ) ；同时沿2 0 = 1 98 6 。扫描得到图2 - 3 天津t 业大学博一l ：学位论文 的晶粒取向扫描衍射强度值( 2 0 的间隔为0 1 。，4 0 秒的累计强度) 。 图2 2 大豆蛋白质改性纤维的广角x 射线衍射照片 1以 - | ； i = ；、二l i fi 一二，l 图2 - 3 大豆蛋白质改性纤维的晶粒取向扫描衍射强度 由图2 - 3 可观察到主吸收峰的圆周扫描曲线，取半高峰宽，峰的半高宽度平 均布拉格角为5 6 2 。，所以，晶区取向系数c o s 2 5 6 2 = 0 9 9 0 4 ，即晶区基本完全取 向。 2 2 4 结晶度 结晶度一般指结晶区的体积占纤维总体积的百分数。结晶度界于o 1 之间。 纤维是全结晶时t 结晶度为1 ：反之，全无序结构时，结晶度为0 。纤维结晶度 较高时，纤维中缝隙孔洞较少、密度较大、吸湿比较困难、强度较高、变形较小。 用x 射线衍射法，测结晶区衍射强度峰面积与背景而积及其关系。 图2 - 4 所示为沿赤道线扫描的x 射线衍射强度。 丕鎏三些奎堂塑! 丝堡苎一一一 言 i b o 暑 皇 。= 嚣 苫 l j5i ”l j2 1 1 -1 5j oj 54 2 臼( 。) 图2 4 大豆蛋白质改性纤维沿赤道线扫描的x 射线衍射相对强度曲线 根据图2 - 4 ，可计算出