（纺织工程专业论文）再生蛋白纤维非织造布生产工艺与性能研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

稿受 摘要 题名：再生蛋白纤维非织造句生产工艺与性能研究 姓名：王坚 导师：李义有 专业：纺织工程 水刺法是非织造布领域中年轻而有发展前景的高端技术，水刺非织造布在世界医疗 卫生领域得到广泛应用，在我国的使用量也逐年增加，市场前景看好。但是，我国水刺 非织造产品存在着产品附加值低、创新能力差、品种单一的问题，利用再生蛋白质纤维 材料开发水刺非织造织物是对水刺技术的提高和应用范围的拓展。 再生动物蛋白纤维是以废弃蛋白质为原料加工而成，具有原料来源广泛、环保、可 持续发展等优势。本文对再生动物蛋白纤维的吸湿、导电、力学等物理性能进行了测试， 并与大豆纤维、蚕丝、羊毛等蛋白纤维进行对比，分析了再生动物蛋白纤维的特点，进 一步了解再生动物蛋白纤维性能特点，为充分利用纤维特点进行产品开发提供依据。试 验表明：再生蛋白纤维的强度为3 0 - 4 5 c n d t e x ，大于羊毛的强度，伸长率1 6 3 1 8 大于蚕丝，再生蛋白纤维的回潮率1 3 5 ，比大豆蛋白再生纤维要好。 本文还对以再生动物蛋白纤维为原料的水刺非织造布生产工艺进行了探讨，重点讨 论了水刺压力、车速与产品质量的关系。提高水刺压力，产品的强力会随之提高，但当能 量过大时其强力提高不太明显；如需要产品获得光滑的表面，需选择合理的水刺压力， 不是压力越大越好。本文还根据试验并结合实际生产情况总结出了各道水针压力的参考 值。 通过对再生动物蛋白纤维制成的水刺非织造布透气、吸水、抑菌性能，p h 值等性 能进行测试，结果表明，再生动物蛋白纤维水刺非织造布具有良好的透气、吸水、抑菌 性能，p h 值呈微酸性，与人体皮肤相溶，是美容、保健和卫生用品的理想材料；依据 一次性使用卫生用品卫生标准g b l 5 9 7 9 2 0 0 2 ，以添加了抗菌因子的再生动物蛋白纤 维为原料的水刺非织造布产品在试验条件下，作用2 m i n ，对金黄色葡萄球菌的平均抑 菌率为8 3 6 ；作用5 m i n ，对金黄色葡萄球菌的平均抑菌率为9 2 8 ；作用l o m i n ，对 金黄色葡萄球菌的平均抑菌率为9 6 1 ；作用2 0 m i n ，对金黄色葡萄球菌的平均抑菌率 为1 0 0 。产品具有抗菌抑菌作用。 关键词：再生动物蛋白纤维水刺非织造布生产工艺性能研究抑菌效果 a b s t r a c t a b s t r a c t s p u n l a c ei s ap r o m i s i n ga n dh i g h e n dt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fn o n - w o v e nf a b r i c s p u n l a c e dn o n w o v e n sa r ew i d e l yu s e di nm e d i c a la n d h e a l t hf i e l d sa l lo v e rt h ew o r l d ，w h i c h w i l lh a v eag o o dm a r k e ti nc h i n a h o w e v e r ，t h el o wv a l u e - a d d e d ，i n n o v a t i o n - p o o ra n d s p e c i e s s i n g l ea r eh a m p e r i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h ep r o d u c t s p u n l a c e dn o n - w o v e nf a b r i c b e i n gm a d ef r o mr e g e n e r a t e dp r o t e i nf i b e ri st h ee n h a n c e m e n ta n de x p a n s i o nf o rs p u n l a c e d t e c h n o l o g y t h er e g e n e r a t e dp r o t e i nf i b e ri sm a d ef r o ma b a n d o n e da n i m a lp r o t e i n ，t h em a t e r i a li s q u i t ew i d e l ya n di n n o x i o u s l y ，a sw e l la ss u s t a i n a b l ef o rd e v e l o p m e n t n ep h y s i c a lp r o p e r t i e s o ft h ef i b e rw e r et e s t e d ，s u c ha sh y g r o s c o p i c i t y ，e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n dm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e ，b yc o n t r a s tw i t hp r o t e i nf i b e r sw h i c hi n c l u d es o y b e a nf i b e r s ，s i l ka n dw o o l f i b e r s ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e n g t ho fr e g e n e r a t e dp r o t e i nf i b e ri s3 0 - 4 5 c n d t e x ， e l o n g a t i o ni s1 6 3 - - - 1 8 ，m o i s t u r er e g a i nr a t ei s1 3 5 t h i sp a p e rd i s c u s s e ds p u n l a c e dn o n w o v e nt e c h n o l o g yo nm a t e r i a l st or e g e n e r a t e d p r o t e i nf i b e r ，e s p e c i a l l yt or e l a t i o n so fs p u n l a c e dp r e s s u r e ，s p e e dr a t ea n dp r o d u c tq u a l i t y t h ep r o d u c ts t r e n g t hw i l li n c r e a s ew i t hs p u n l a c e dp r e s s u r ei n c r e a s e da c c o r d i n g l y ，b u tw h e n o v e rp r e s s u r ei n c r e a s ei t ss t r e n g t hl e s so b v i o u s t om a k ep r o d u c ts m o o t h ，w h i c hn e e dn o tt h e g r e a t e rp r e s s u r eb u tt h er e a s o n a b l es p u n l a c e dp r e s s u r e t h i sp a p e r a l s os u m m a r i z e dr e f e r e n c e v a l u e so fp r e s s u r eu n d e rt e s tc o m b i n e dw i t ha c t u a lp r o d u c t i o n t h r o u g ht e s t i n go nt h ep e r f o r m a n c e so fr e g e n e r a t e dp r o t e i ns p u n l a c e dn o n - w o v e n ，t h e r e s u l t ss h o wt h a ti th a st h eg o o dp e r f o r m a n c eo nb a c t e r i o s t a s i s ，d i a t h e r m a n o u s ，m o i s t u r e a b s o r p t i o n ，p hv a l u eo fl i t t l ea c i d ，t h er e l a t i v et os k i na n dt h ec h a r a c t e r i s t i cw h i c hd i s s o l v e s w i t ht h eh u m a nb o d y t h a ti st os a yt h ep r o d u c ti si d e a lm a t e r i a lf o rb e a u t y ，h e a l t h - c a r ea n d s a n i t a t i o ns u p p l i e s t h et e s t sr e s u l ti n d i c a t e dt h a t ：a c c o r d i n gt o ”t h es a n i t a t i o ns t a n d a r do f o n e o f fu s es a n i t a t i o n t h i n g s ”g b l 5 9 7 9 2 0 0 2 ，a n dt h e t e s tc o n d i t i o no ft h ea n i m a l r e g e n e r a t e dp r o t e i nf i b e r , w h i c h a d d e da n t i b a c t e r i a l f a c t o ra n dt h e s p u n l a c e d n o n w o v e n s ，p r o c e s s i n go n2m i n u t e s ，a n dt h er a t e t ot h eg o l d e ny e l l o ws t a p h y l o c o c c u s a v e r a g eb a c t e r i o s t a s i si s8 3 6 ；w h i l ep r o c e s s i n go n5m i n u t e s ，a n dt h er a t et ot h eg o l d e n y e l l o ws t a p h y l o c o c c u sa v e r a g e b a c t e r i o s t a s i si s9 2 8 ：p r o c e s s i n go n1 0m i n u t e sa n dt h er a t e t ot h eg o l d e ny e l l o ws t a p h y l o c o c c u sa v e r a g eb a c t e r i o s t a s i si s9 6 1 ；p r o c e s s i n go n 2 0 m i n u t e s ，a n dt h er a t e t ot h eg o l d e ny e l l o ws t a p h y l o c o c c u sa v e r a g eb a c t e r i o s t a s i si s 1 0 0 t h ep r o d u c th a st h ea n t i b a c t e r i a l a n db a c t e r i o s t a s i sf u n c t i o n ，c o n f o r m st oi t ss t i p u l a t i o n o fe n t e r p r i s es t a n d a r dq 3 2 0 6 8 2 g e y 0 4 2 0 0 6 5 7 ，c o n f o r m st ot h er e q u e s tt h a tb a c t e r i o s t a s i s r a t eo ft h en o n w o v e nf a b r i c 5 0 k e y w o r d s ：a n i m a lr e g e n e r a t e dp r o t e i nf i b e r ；s p u n l a c e dn o n w o v e n s ；p r o d u c t i o nc r a f t ； p e r f o r m a n c er e s e a r c h ； b a c t e r i o s t a s i se f f e c t l i 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，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它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谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： 日 期： 一雒 第一章绪论 第一章绪论 i 1 本课题研究的目的和意义 天然纤维受到土地资源、自然条件、生长周期等因素的制约，远远不能满足人们的 需求。再生蛋白质纤维由于其原料价格低廉，是新型的生态纺织品，而且具有独特的护 肤保健功能，其研究和丌发十分受人瞩目。早在2 0 世纪3 0 - 4 0 年代，美国、同本和欧 洲的一些国家就开始使用牛奶酪素、大豆蛋白、花生蛋白等原材料研究再生蛋白纤维。 我国也自行研究开发了大豆蛋白纤维【1 】和( 蚕) 蛹蛋白粘胶长丝纤维【2 】【3 】【4 】5 1 。我国纺织材 料专家、中国工程院院士季国标教授研究认为，“为了克服化纤存在的弱点，新世纪的 新型纤维首先将不再过渡依赖于石油，而是转向取材于价格低廉、储量丰富的自然资源， 其中：农、牧、林业的下脚料是值得重点予以关注的材料来源”。因此，再生蛋白质纤 维产品的研究对我国新型纺织工业的发展具有非常重要的意义。 水刺法是非织造布领域中年轻而有发展前景的高端技术，经过近几年的行业发展及 市场培育，我国水刺非织造布市场需求量增长可观。随着现代医疗卫生事业的发展，人 们对医用纺织品提出了越来越高的要求，水刺非织造布以其特有的产量高、成本低、易 于消毒、能有效防止交叉感染等特点在世界医疗卫生领域得到广泛应用，在我国的使用 量也逐年增加，市场前景看好。但是，我国水刺非织造产品存在附加值低、创新能力差、 品种单一的问题，利用再生蛋白质纤维材料开发高附加值的水刺非织造产品是对水刺技 术的提高和应用范围的拓展。 1 2 几种新型再生蛋白纤维的性能特点 1 、大豆纤维 6 1 1 7 ：大豆纤维是一种再生植物蛋白纤维，具有天然纤维的许多特性， 被称为“人造羊绒 。目前开发的大豆纤维产品既有纯纺又有混纺和交织的织物。纯大 豆纤维织物纹路细腻，悬垂性好，给人一种飘逸典雅的感觉。可以用作高档衬衫面料。 而且大豆纤维吸湿导湿性极佳，适合在高湿高温环境下穿着。我国有丰富的大豆资源， 开发大豆纤维具有成本上的优势。 2 、牛奶纤维【8 】【9 】【1 0 】：牛奶再生蛋白质纤维是一种含有乳酪蛋白质成份的接枝聚丙 烯腈纤维，这是一种新型含蛋白质的环保纤维。近年来日本东洋纺公司开发了以新西兰 牛奶为原料的再生蛋白质纤维“c h i n o n ，它是目i j i 世界上唯一实现工业化生产的酪素 蛋白质纤维。牛奶蛋白纤维既有天然蚕丝的优良特性，又有合成纤维的物化性能和良好 的可纺性能，是一种全新的纺织新材料。其外观呈乳白色，比重轻，表面光滑，单纤强 度大，吸湿性、透气性好，染色性能优良，有着真丝般柔和的光泽和滑爽手感。牛奶蛋 白复合纤维含有1 7 种氨基酸，具有优良的亲肤、防蛀特性。由于牛奶再生纤维集真丝 和合纤的优点于一身，具有柔软舒适，染色鲜艳等优点，且由于纤维中蛋白质的存在。 江南人学硕十学位论文 其织物对人体皮肤有很好的保健功能，是制作各类高档针织内衣、睡衣、春夏季时装、 贴身t 恤衫的理想产品。牛奶纤维也可与棉、涤纶、粘胶纤维等混纺。尽管牛奶纤维有 许多优良性能。但仍存在一些缺陷，如耐热性差、热状态下易泛黄、化学稳定性不强， 另外，原料纱线中的淡黄色无法去除，不能得到纯白颜色的产品。因此对纤维本身的性 能要改善，同时要积极研制开发功能性纤维。北京雪莲股份有限公司采用s p 微胶囊缓 释高新技术生产了一种牛奶纤维针织内衣，是具有茶树油、芦荟等芬芳气味和抗毒杀菌 作用的羊绒产品。 3 、蚕蛹蛋白质纤维：纺丝用蚕蛹蛋白，首先将新鲜的蚕蛹烘干、脱脂、浸泡，在 碱溶液中溶解，进行过滤，用分子筛控制分子量，再经脱色处理。调节等电点，进行水 洗，最后经脱水、烘干制得蚕蛹蛋白。将蚕蛹蛋白溶解成蚕蛹蛋白溶液，加化学添加剂 后，与高聚物共混即可纺丝【1 。蛹蛋白粘胶长丝外表呈淡黄色，有着真丝般柔和的光泽 和滑爽手感【1 2 】。蛹蛋白含有大量适合人体皮肤吸收的1 8 种氨基酸，因而对人体皮肤有 很好的营养和保护作用。当它接近人体皮肤表面时，给人以一种滑爽、透气的感觉。并 且具有悬垂感好、外观华丽、颜色鲜艳等众多优点。蚕蛹蛋白纤维属于再生蛋白质纤维。 其原料蚕蛹可再生，不会对地球资源造成威胁，更重要的是其原料原本在剥茧抽丝后是 废弃的，而蚕蛹中含有大量可利用的天然蛹蛋白。四川宜宾化纤厂已试纺成功蚕蛹蛋白 质纤维，其性能优良，可与真丝相媲美。1 0 0 的蛹酪素纤维也已研究成功，可以制成 仿绢织物。但蚕蛹蛋白纤维实现规模化生产还有很长的一段路要走。 4 、胶原蛋白质纤维：胶原是蛋白质中的一种，英文名“c o l l a g e n ”。它主要存在于 动物的皮、骨、软骨、牙齿、肌腱、韧带和血管中，是结缔组织极重要的结构蛋白质， 起着支撑器官、保护机体的功能。胶原是哺乳动物体内含量最多的蛋白质，占体内蛋白 质总量的2 5 - - 3 0 ，相当于体重的6 。胶原与其它蛋白质一样，也是由q 一氨基酸 组成的，其中脯氨酸的含量是各种蛋白质中最高的。胶原蛋白纤维具有独特的棒状螺旋 结构，物理机械性能非常优越，其干强和湿强都超过了羊毛，弹性也远远超过了羊毛。 胶原蛋白纤维组成几乎与人的皮肤组成相同，具有最好的亲和性和穿着舒适性，较好的 保湿性，还具有抑菌作用，特别适合制作贴身穿的内衣、内裤。在生物医学上，胶原纤 维主要用作可吸收的缝合线，当伤口愈合时，不需拆线，可被人体吸收【1 3 】。由于制革 工业对环境的污染特别严重，利用皮革工业废弃物研制胶原蛋白纤维，不仅可满足市场 对高档纤维面料的需求，而且可以将大量的皮革废弃物转化为有用的资源，为皮革工业 废弃物的高值利用提供一条新的途径，从而促进制革产业结构的调整。 5 、再生动物蛋白质纤维：再生动物蛋白质纤维是利用废弃蛋白质物料，如猪毛、 人发、鸡毛、骨头、各种昆虫、皮革下脚料和毛纺工业下脚料等制成。首先利用生物技 术提取蛋白质，通过加入添加剂、生物酶的作用使动物蛋白质改变分子空间结构，然后 与高聚物接枝共聚，制成纺丝原液，再经纺丝、脱水、拉伸、热定型、后处理、水洗、 烘干、卷曲、上油、切断而制成再生动物蛋白质纤维1 1 4 j l l 5 j 。再生动物蛋白质纤维是集 天然蛋白质纤维和合成纤维的优点于一身的纺织新原料。再生动物蛋白质纤维含有多种 人体所必需的氨基酸，既有吸湿、滑爽飘逸、高雅华丽和保健功能的特性，还具有导湿 2 第一章绪论 性好、条干均匀度好、染色牢度好、强度高、沸水收缩率低的优点。再生动物蛋白质纤 维可与棉、毛、丝、麻或合成纤维混纺生产不同特性的纺织服装面料。再生动物蛋白质 纤维的生产成本低，经济效益明显，发展空间巨大。再生蛋白质纤维的原料为可再生的 自然资源，纤维具有优良的物理机械性能和独特的保健功能，而且废弃后可生物降解， 减少了环境污染，开发的产品应用领域广，代表了新型纤维的发展方向，其加工技术和 纤维的结构性能受到了人们的普遍重视，引起了人们研究的极大兴趣。 1 3 再生动物蛋白纤维的制备 1 3 1 原液的制备 原料： 羊毛、猪毛、驼毛等下脚料、过氧乙酸、氢氧化钠。 蛋白质溶液制备方法【2 4 1 及工艺流程： ( 1 ) 氧化法：把洗净、干燥后的猪毛、驼毛或羊毛下脚料投入0 2 5m o l l 的过氧 乙酸氧化溶液中，不断搅拌。待大部分溶解后，经过滤获得蛋白质溶液。此法所需时间 较长大概需要2 0 多个小时才能溶解绝大部分原料。 ( 2 ) 还原法：把洗净的羊毛投入到尿素、十二烷基磺酸钠和羟基乙酸溶液的密封罐 中用超声波对溶液进行振荡、溶解、过滤获得蛋白质溶液。 。 ( 3 ) 碱化法：把洗净干燥后的羊毛或猪毛废料投入到l m o l l 的氢氧化钠溶液( 羊 毛碱液重量比一般l ：8 ) 在温度7 0 - - 8 0 c 条件下搅拌、溶解1 5m i n 左右过滤后得蛋 白质溶液。 。 工艺过程：猪毛、驼毛、羊毛下脚料一洗涤、烘干、称重一过氧乙酸氧化一水洗一 脱水一碱水解一侧链修饰一稳定一与大分子聚合物接枝一纺丝原料( 再生蛋白原液) 。 水解原理【2 5 l ： 皮革工业下脚料、羊毛等蛋白在同一肽链的c = 0 和一n h - 之间生成氢键，氨基酸侧链 上的r 一基则指向螺旋外边，所以羊毛中的q 一角蛋白中大部分为q 一螺旋的二级结构， 羊毛的q 一螺旋区除氢键外，还有一s s 一桥的存在，根据其结构特点，我们作了适当 的结构改性处理，使蛋白质上产生一定的亲水性的一c 0 0 n a 和一s 0 3 n a ，从而溶解于水 中形成水解蛋白质，其反应如下： n h c h c o 一一n h c h c o 一一 l i o h 2c h 2 s 0 3 h i s i #过氢墼一， + 煎照丝堡- 一n l h c h c o o n 。 9 h2叫2g 0 3 h c h 2 s 0 3n 。 i i n h c h c 0 一n h c h c o - 一 蛋白质与多肽问没有明显的界限，蛋白质是分子量大的肽，经部分水解时能生成多 肽，为了使蛋白液中分子的分子量尽可能达到较大值，且又能溶解在稀碱水溶液中，同 3 江南人学硕十学位论文 时还需要考虑与之相混合的再生胶a 原液的性能指标，所以要控制好过氧乙酸、碱溶液 的浓度和蛋白质水解的条件，经多次试验，过氧乙酸浓度为5 o ，稀碱液浓度为2 0 ， 温度为7 0 - - 8 0 0 c ，水解蛋白液中蛋白质含量为9 。水解蛋白液分析结果见表1 1 。 表1 1 水解蛋白质分析结果 项目指标测定方法 色泽黄棕色目测法 蛋白质 9 重量法 灰分 薹o 1 5 燃烧法 平均分子量 3 0 0 0 4 0 0 0 凝胶电泳法 1 3 2 再生蛋白纤维的生产工艺流程 水解蛋白质与再生胶原液混合一过滤一脱泡一纺丝一收集一冷牵一干燥一热牵一 热定型一收集一卷曲一切断一水洗一致密一水洗一上油一开松一烘干一过秤一称重一 成品。 1 3 3 再生蛋白纤维的成形过程及原理 在一定条件下将一定浓度水解蛋白原液与再生胶a 原液( 纤维素8 5 9 o ， 含碱4 3 ) ，按一定的配比混合进行纺丝，并经过后处理加工制成理想的再生蛋白 纤维，这样蛋白质于纤维中的肽键( 一c o _ n h 一) 与再生胶中的- o h 形成氢键，产生较强的 分子结合力，十分牢固【2 6 】【2 7 1 。纤维的成形过程为：静态混合一过滤一脱泡一计量纺丝 一塑化牵伸一后加工。 ( 1 ) 静态混合再生胶原液( 纤维素8 5 9 o ，含碱4 3 ，粘度3 5 - - 5 5 s ) ；蛋 白原液( 蛋白质8 5 9 o ，含碱2 - - 4 ，粘度1 2s ) ；助剂b 、助剂c ( 均为自 配) 。经反复多次试验确定，水解蛋白液、再生胶a 原液、助剂b 、助剂c 以1 5 ：3 0 ：3 ： 2 的混合比最为合适。将混合原液充分搅拌3 0 m i n ，使之混合均匀l 2 8 l 。 ( 2 ) 过滤通过织物、纤维以及各种过滤材料将混合原液进行过滤，去除分散性杂质， 净化溶液。 ( 3 ) 脱泡：制成的混合溶液中含有大量的空气，其中每升溶液中平均含有3 0 - - - - 4 0m l 分散的气泡状空气，还有8 l o m l 溶解空气。溶液中空气的存在能加快氧化过程的进行； 在纤维成形时气泡使纤维断头和产生疵点；微小气泡容易形成气泡丝，降低纤维的强力， 为此在纺丝前必须对再生胶进行严格的脱泡。 ( 4 ) 纺丝溶液通过一定的机械设备及凝固介质，转变为具有一定性能的固态纤维， 即混合液被挤出喷丝孔后形成细流而进入凝固浴中，在凝固浴中被中和凝固而成溶胀丝 条。在纤维成形过程中凝固浴中各组分扩散到细流内部，而细流中的低分子组分( n a o h 和h ：0 ) 则扩散到凝固浴中。细流和凝固浴内各组分相互扩散的结果，使细流产生凝固、 中和、盐析、分解、再生而形成固体纤维。由于2 种高聚物结构差异较大，在凝固和拉 4 第一章绪论 伸过程中，粘度小的容易分布在纤维的外层，蛋白液的粘度较再生胶小得多，故纤维成 形时蛋白质分布在纤维的表面。 ( 5 ) 牵伸为了提高纤维的物理机械性能，必须对刚成形的纤维进行塑性牵伸，使大 分子沿纤维轴的取向度大大提高，增加了分子问的氢键数及其它类型的分子间力，使纤 维承受外加张力的分子链数目增加，从而显著提高了纤维的断裂强度、断裂伸长率，纤 维的耐磨性明显提高。 ( 6 ) 纤维的后处理纺丝成形后的纤维须经过水洗、漂白、酸洗、上油等后处理，使 纤维柔软平滑，以适宜纺织加工的需要。 1 3 4 氦基酸总量与纤维材料的关系 l 、氨基酸总量 氨基酸的总量反映的是纤维中蛋白质的多少或纯度，1 0 0g 蛋白质纤维中的氨基酸 总含量分别是：羊毛8 8 6 0 7 5 9 、猪毛8 4 1 9 6 6 9 、人发9 2 3 6 1 0 9 、再生蛋白质纤维 2 3 3 5 4 9g 。再生蛋白纤维根据所采用的原料( 如羊毛下脚料、猪毛、人发) 和混合比例( 蛋 白液含量5 5 0 ) 的不同而不同。 2 、蛋白质水解对再生蛋白纤维氨基酸组分的影响 羊毛下脚料在水解过程中，其水解方式较为复杂，其水解产物也随之多样化，有生 成单个氨基酸的，也有2 3 个不等的肽链产物，其中分子量较小的肽链由于具有较大 的溶解性在纤维成形时残留在凝固浴中，只有具有一定分子量和粘度的蛋白水解产物才 能成纤。因此该再生蛋白纤维中的氨基酸组分与原羊毛中的氨基酸组分相比发生明显的 变化。从表2 - 2 数据中可以看出，脯氨酸较少以单个氨基酸的形式或短肽链的形式被水 解下来，即在羊毛的多肽链中，脯氨酸处的肽键较难被水解破坏而断裂，以致脯氨酸在 再生蛋白纤维中的绝对量没有造成较大的损失，从而使脯氨酸的相对含量有着明显的提 高。相反其中的苏氨酸、丝氨酸的含量从原来未水解羊毛中的5 7 5 、8 8 2 降为0 ， 说明这2 种氨基酸几乎都以短肽链被水解掉而溶解在凝固浴中，其原因有待进一步的研 究探索。 3 、蛋白质在纤维中的分布 再生蛋白纤维由蛋白质和纤维素构成，具有2 种聚合物的特性，属于复合纤维的一 种。由于蛋白液与再生胶的物理化学性质不同，特别是它们的粘度相差很大，用落球法 测定，蛋白液粘度小于1 s ，再生胶的粘度为3 5 - - 一5 5 s ，使蛋白液与再生胶的混合纺丝液 经酸浴凝固成形时，蛋白质主要分布在纤维的表面，因此再生蛋白纤维属于皮芯型。对 再生蛋白纤维采用考玛斯亮蓝r - 2 5 0 染色后，纤维素呈白色略显浅蓝，分布在纤维的中 间，蛋白质呈蓝色，分布在纤维的外围，该蛋白复合纤维呈明显的皮芯结构心引。 总之，再生蛋白纤维无论蛋白质含量多少，各种氨基酸均分布在纤维的表面，氨基 酸系列与人体趋于一致，它对人体皮肤有一定的营养和保护作用。利用这一材料开发生 产不同厚度、不同克重的非织造织物，再利用这种动物蛋白质非织造织物制作医疗、卫 5 江南大学硕十学位论文 生、美容、化妆及功能性服装产品，故再生蛋白纤维具有良好的开发前景。 1 3 5 生产关键技术的分析 1 、蛋白质的提取 动物蛋白质和植物蛋白质虽然都属于蛋白质范畴，但其分子结构又有很大不同，动 物蛋白质的提取难度比植物蛋白质的提取难度也大得多。以油料作物为主的植物蛋白质 主要是7 s 9 s 球蛋白组成，二硫键较少。传统的碱溶酸沉方法很容易提取纯化，而动物 蛋白质大部分是胶原蛋白、角蛋白、酪蛋白组成，蛋白质1 至4 级分子结构也非常复杂。 如羊毛的表皮层角蛋白的含量达1 1 左右，提取这种蛋白质是非常困难的，靠传统碱溶 酸沉工艺根本无法实现。蝇蛆成虫的表皮以角蛋白为主，目前世界上还没有任何一个粉 碎设备能将其完全粉碎。对各种不同的动物蛋白质提取都必须采用不同的工艺方法。盐 城盛嘉纺织新材料有限公司经过长期反复的试验摸索，采用了氧化反应和还原反应相结 合、热变性和p h 值变性相结合的方法。这一工艺方法的关键是能有效控制蛋白质的反 应程度，以免产生反应过激容易造成分子破坏水解，反应过缓蛋白质获得率太低的不良 现象。目前，在国内外采用这种方法提取角蛋白的还未见报导。 2 、动物蛋白质分子结构的解离 动物蛋白分子量参差不齐，相差很大，适宜纺丝的分子量是6 万至7 万道尔顿。酪 蛋白的分子高达3 5 万，而胶原蛋白分子团分子量更是大小不一，要解离成适合纺丝的 分子量主要靠助剂的催化，通过一定的温度、时间使蛋白质解离成适合纺丝的分子量， 这是蛋白质纺丝的关键技术之一。解离蛋白质分子主要从二硫键入手，每种动物蛋白质 分子所含的氨基酸成分不一样，其二硫键的数量也不一，位置也不同。反应程度不一样， 二硫键断裂的数量也不一，二硫键断裂过多，使分子量过低也不利于纺丝。动物蛋白质 分子结构的解离决定于其温度、时间、助剂品种及用量的控制以及上述工艺参数的测试 办法。 3 、氨基酸侧链的修饰 一个蛋白质分子一般都有多个氨基酸组成，每个氨基酸都有其独特的侧链，有些侧 链如吲哚基、硫醚基等很不适合纺丝。因此，对不少氨基酸侧链和基团要进行修饰、活 化、封闭，不利于纺丝的侧链去掉，将有用的特别是适合与大分子聚合物接枝的基团活 化，这是一项比较复杂的生物化学反应。其关键是修饰氨基酸侧链有效助剂的选择。 4 、与有机大分子聚合物接枝 1 9 世纪以来，一些国家就开始利用蛋白质进行纺丝研究，但都因全部采用蛋白质 加工成的纤维强度低、纤度大、物理机械性能很差而不能服用。用蛋白质纺丝必须与有 机大分子聚合物实现分子接枝、聚合，这样生成的纤维才能具备服用性能。2 0 世纪7 0 年代日本完成了用新西兰牛奶与丙烯腈接枝共聚，生产牛奶蛋白纤维。国内问世的大豆 纤维因采取的是大豆纤维与聚乙烯醇共混，所以生产的纤维容易损失蛋白质。蛋白质与 大分子聚合物的接枝，特别是键合力强的双键技术是蛋白质合成纤维生产中的突破。 6 第一章绪论 1 4 水刺非织造布的发展历史与现状 水刺缠结技术最早是由c h i c o p e e 公司于2 0 世纪5 0 年代初期开发出来的，当时采 用较低水压的水流使纤维网缠结成为有一定强度的非织造布，但由于缠结作用较低，往 往还需用树脂等进一步加固以形成最终产品1 1 6 j 。d u p o n t 公司在6 0 年代也开发了水刺缠 结技术，7 0 年代初开发出了第一条实用生产线i l7 j 1 1 8 j 。此后，在8 0 年代初c h i c o p e e 又 有了改进。c h i c o p e e 和d u p o n t 被公认是全球水刺缠结技术的发明者。此后二、三十年 来水刺非织造布无论在技术和应用以至生产能力上都得到了突飞猛进的发展。最近1 0 多年来，由于水刺非织造布在性能上的优越性：它不采用粘合剂、无环境污染、不含杂 质、不掉屑、不损伤纤维、手感柔软、吸湿性好、强度高、悬垂性好、表观与传统纺织 品近似1 1 9 l ，因而深受用户的欢迎。由于用途不断得到拓展，生产能力和产量迅速提高。 据美国非织造布协会统计，2 0 0 1 年世界水刺非织造布产量已超过2 5 万t ，1 9 9 1 2 0 0 1 年1 0 年间年均增长率为1 3 3 ，2 0 0 5 年整个非织造板块比2 0 0 4 年增长了6 8 总产 量为6 1 0 万t 2 0 l 。预计今后5 年年均增长率仍高达3 0 【2 。 我国水刺法非织造布工业起步较晚，但发展速度很快，1 9 9 5 年海南欣龙非织造布 有限公司引进第一条生产线，2 0 0 1 年到2 0 0 4 年，水刺法非织造布生产线增加迅速， 到2 0 0 5 年有8 1 条生产线，生产能力从最初的2 6 0 0 t 发展到2 0 0 5 年的1 3 5 万t 左右( 见 表1 2 ) 。据美国非织造布工业协会报道，2 0 0 5 年全球水刺法非织造布产量超过了4 8 万 表1 2 中国水刺非织造布生产发展情况 注：资料来源为中国产业用纺织品行业协会 t ，我国占近2 0 左右。2 0 0 5 年各类非织造布的总产量达到1 1 7 7 万t ，比2 0 0 4 年的 1 0 4 2 6 万t 增长了1 3 4 4 力t ，增长幅度为1 2 8 9 。2 0 0 5 年水刺法非织造布产量 达到7 5 万t ，在非织造布中所占比重为6 3 ，比2 0 0 4 年5 4 万t 增长了2 1 万t ，增长幅度为3 8 9 。据中国产业用纺织品行业协会水刺分会预测，今后1 0 年， 我国水刺法非织造布产品在非织造布中的比重将可能提高到9 ，达到欧美等先进国家 7 江南人学硕十学位论文 水准。目前，我国的水刺法非织造布生产线分别是r i e t e rp e r f o j e t8 条、f l e i s s n e r6 条、台湾7 条、常熟飞龙无纺设备有限公司2 2 条、郑州纺织机械股份有限公司1 9 条、 企业自制1 3 条及其他机械厂生产线6 条1 2 2 j l 矧。由于水刺非织造布生产技术属于新兴技 术，水刺产品应用领域广泛，涉及交通运输、医疗卫生等方面，国民经济的快速发展， 使得其他行业对水刺产品的需求量快速增长。目前，水刺非织造布行业j 下处于产品生命 周期中的成长期，在这一阶段，水刺行业将继续保持比较快的市场发展速度。 1 5 我国水刺非织造产品存在的问题 1 、产品附加值低 水刺非织造布是通过一种用独特的工艺技术生产的织物，它广泛应用于医疗卫生产 品和合成革基布、衬衫及家庭装饰领域。其纤维原料来源广泛，包括涤纶、锦纶、丙纶、 粘胶纤维以及各种新型蛋白纤维等。今年上半年，由于部分原料价格大幅上涨3 0 ，- - 5 0 且供应紧张，国内水刺非织造布生产企业受到严重冲击，虽然企业订单已满，但产品利 润低，有的甚至在亏损运行。水刺非织造布目前存在的主要问题首先是产品附加值低， 同质化现象严重。专家认为，我国水刺非织造布行业重复投资较多，过度集中在常规产 品市场，多数企业过分依赖低成本、低价格和以量取胜的竞争模式。 2 、创新能力差 创新能力有待提高。目前，我国水刺非织造布企业基础研究开发投入不足，许多企 业用于研发方面的投入还不到销售额的1 ，有的企业几乎没有研发投入。 3 、产品单一 大部分属普通产品，新产品和高端产品非常少。我国水刺非织造布的品种和数量， 尚不能满足水刺技术的提高和应用范围日益拓展的需要，与国外水刺非织造布在设备水 平、后处理工艺、新产品研制速度、新材料应用等方面均有较大差距。 1 6 本课题研究的主要内容 利用猪毛、牛毛、人发、鸡毛、鸭毛以及无纺织利用价值的羊毛、皮屑、废皮革、 动物蹄壳等为原料的动物蛋白纤维加工技术已有专利文献报导，并且已有商品，纺织行 业利用这一新型纤维材料已成趋势。利用再生动物蛋白纤维开发水刺非织造织物，并对 生产工艺与织物质量的关系研究、以及对织物性能的测试还未见报到，有待研究。本课 题将对再生动物蛋白纤维及其非织造布性能进行测试；对再生动物蛋白纤维非织造布的 生产工艺与产品性能的关系进行研究。 本课题的研究内容和使用的方法以及所要达到的目标 1 、 再生动物蛋白纤维物理机械性能测试 本文对再生动物蛋白纤维、大豆蛋白质纤维、蚕丝、羊毛的主要物理机械性能进行 系统的对比测试研究，进一步了解再生动物蛋白纤维性能特点，为充分利用纤维特点进 行产品开发提供依据。 8 第一章绪论 2 、再生动物蛋白纤维非织造布的生产工艺对产品质量的影响 与江苏通江科技股份有限公司合作，研究、探讨再生动物蛋白纤维非织造布的生产 工艺和产品质量的关系。 3 、再生动物蛋白纤维非织造布性能测试 依据企业标准，对非织造布的性能进行测试研究，了解该产品的服用性能。本课题 相关产品主要用于医疗、卫生、保健等领域，所以主要对产品的抗菌抑菌、吸湿、透气 性能以及力学性能等品质指标进行测试。 4 、再生动物蛋白纤维非织造织物应用研究 利用再生动物蛋白纤维材料吸湿、透气、抗菌、亲肤，与人体相溶的特点，将开发 不同功能的再生动物蛋白纤维材料非织造织物，生产、加工成美容面膜；适用于医疗、 卫生、保健领域用各种医用非织造产品。 9 江南人学硕十学位论文 第二章再生动物蛋白纤维的性能测试 再生动物蛋白纤维外观色泽乳白、光泽柔和、酷似蚕丝：纤度小、模量低、手感好、 柔似羊绒；密度小、强伸度高、接近化纤。动物蛋白纤维不但耐酸耐碱、染色鲜艳、色 牢度好，而且它具有吸湿、放湿、亲肤、透气、保暖、保健、无静电、无刺激和可纺性 的优势。纺织材料的服用性能主要取决于纺织材料的机械性能、热学性能、吸湿性能等。 再生蛋白纤维由蛋白质和纤维素构成，具有两种聚合物的特性，属于复合纤维的一 种。再生蛋白纤维的化学性能既不同于天然蛋白质纤维，也不同于天然纤维素纤维，纤 维结构中含有大量的碱性侧基和酸性侧基，所以纤维既呈碱性又呈酸性，它影响纤维纺 织品的纺织、染整加工性能。 2 1 吸湿性能 吸湿性对纺织材料性能的影响是多方面的，包括重量、几何尺寸；密度和体积、对 机械性质、热学性质、电学性质、光学性质的影响f 2 9 】。大多数纤维吸湿后有明显的横向 膨胀、刚性降低、断裂伸长增加，强度、摩擦、导电性都会发生变化，这些性质变化对 纺织加工工艺和成品质量会造成不同程度的影响。纺织材料吸湿量多少，决定于纤维的 种类和所处的大气条件。 2 1 1 实验材料 再生蛋白纤维、羊毛、蚕丝、粘胶等。 2 1 2 实验方法 ( 一) 实验仪器：y 8 0 2 n 型恒湿八篮烘箱及天平。 ( 二) 测试条件：温度2 0 0 c ，相对湿度6 5 。 ( 三) 实验方法与原理 纺织材料含湿量常用回潮率和含水率表示。回潮率为湿重减干重与干重的比率；含 水率是湿重减干重与湿重的比率。纺织材料的含湿量的主要指标为回潮率。吸湿性的测 试方式测量方法很多，可分为直接法与间接法一、直接法。直接法的关键在于：烘干和 称重。我们采用的方法是烘箱法，它是利用烘箱内加热器加热，将箱内温度回升到一恒 定温度，箱内空气变成热干空气，纤维中水分蒸发，重量损失，直到达到恒重，由此可 计算出纤维的含水率和回潮率。计算纤维实际回潮率按以下公式计算，计算结果见表 2 2 。 w = ( g g 。) c 。x1 0 0 式中：w - _ 实际回潮率( ) ，g 表示纤维湿重( g ) ，g 。表示纤维干重( g ) 1 0 第一：章佴生动物蛋 j 纤维的性能测试 2 1 3 实验结果及讨论 表2 2 几种纤维的回潮率比较 、磐维种类 曩圭塑黎大睾差是再 蚕丝羊毛 项目指标 蛋白纤维 生纤维 出一 _ r 。 回潮率( ) 1 3 56 89 01 6 回潮率是纺织材料含湿量的一个重要指标，回潮率的高低直接影响纤维的吸湿性 能。纤维的回潮率高，纤维的吸湿性好，该纤维制成的纺织品和服装穿着舒适性也比较 好。从表2 4 看，再生蛋白纤维的回潮率为1 3 5 ，明显优于蚕丝。而且纤维随着蛋 白质含量的增加其回潮率也明显在变大，纤维横截面上的缝隙孔洞数量越多，有利于水 分子的进入，从而增加纤维的回潮率，这是由于随着蛋白质含量依次增多，纤维横截面 上的缝隙孔洞数量越多。如采用再生蛋白纤维代替粘胶纤维制作内衣，其各项性能，尤 其是保健性能由于蛋白质的存在而优于粘胶，用其制作成服装后的穿着舒适性和抗静电 性能均可达到羊毛的水平。可见，再生动物蛋白纤维的吸湿能力最强，与粘胶纤维相当。 由于再生动物蛋白纤维吸湿能力较佳，用它制成的衣服，特别是用作内衣时，不但无刺 激、无静电，而且极易吸收人体排出的汗液，吸湿透气，没有化学合成纤维产品的闷热、 不舒适感。 2 2 力学性能 2 2 1 实验材料 再生蛋白纤维、羊毛、蚕丝、大豆蛋白再生纤维等。 2 2 2 实验方法 ( 一) 实验仪器：y g 0 0 1 e 型电子单纤维强力仪、预加张力夹。夹头距离1 0 m m ，走 纸速度5 0 0 m m m i n 。 ( 二) 测试条件：温度2 0 0 c ，相对湿度6 5 。 ( 三) 实验方法与原理 所用方法为电子强力仪测试法。纤维的断裂主要是由于无定形区中大分子的断裂和 分子间结合力的破坏而引起的。纤维的伸长是由于大分子的伸直、伸长、取向度的改变 以及克服了大分子间的结合力而滑移引起的。 2 2 3 实验结果 通过纤维强、伸度测试，数据见表2 1 ，新型蛋白纤维( 1 4 4 d t e x ) 的断裂强度大 于羊毛( 0 7 1 6 c n d t e x ) 和蚕丝的