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1、第2 7 卷第8 期 2 0 0 6 年8 月 纺织学报 J o u m a lo fT b x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 7N o _ 8 A u g 2 0 0 6 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 l ( 2 0 0 6 ) 0 8 0 0 5 7 一0 4 牛奶蛋白纤维的结构与性能 李克兢1 ，何建新2 ，崔世忠1 ( 1 中原工学院，河南郑州4 5 0 0 0 7 ；2 东华大学，上海2 0 1 6 2 0 ) 摘要利用扫描电子显微镜观察了牛奶蛋白纤维的形态结构。结果表明，牛奶蛋白纤维是异形纤维，截面上有 微孔，表面有凹槽；对牛奶蛋白纤维的x
2、一射线衍射分析显示聚乙烯醇分子规则排列构成结晶部分，牛奶蛋白形成无 定形区；测试和分析了牛奶蛋白纤维的吸湿、拉伸、摩擦等性能，结果表明牛奶蛋白纤维是集蚕丝和合成纤维优良 性能于一身的纺织新材料。 关键词牛奶蛋白纤维；结构；性能；x 一射线衍射 中图分类号：T s l 0 1 9 2 l 文献标识码：A S t l l l c t u r ea n dp r o p e r t i e so fm i l kp r o t e i nf i b e r U K e j i n 9 1 ，H EJ i a n x i n 2 ，C U IS h i z h o n 9 1 ( 1 踟，l g y
3、眦nh 疵抛矿 ，l o 呦r ，Z k 哔如，胁M n4 5 0 0 0 7 ，现i M ； 2 D o ，劬妣讹m 蚵，虢口n 跏口i2 0 1 6 2 0 ，饥i ) A b s t 阳c t C o n f i g u r a t i o no fm i l kp m t e i nf i b e rw a so b s e r v e db yS E Ma n df o u n dt h a ti ti s ap m f i l e 一6 b e rw i t h l i t t l eh o l e si ni t ss e c t i o na n dg r o o v e si
4、 ni t ss u d a c e A n a l y s i so fm i l kp r o t e i nf i b e rb yX r a yd i f f h c t i o ns h o w e d t h a ti t sc r y s t a l l i n er e g i o ni sc o m p o s e do fP V Am o l e c u l e sa H a n g e dr e g u l a d y ，a n dt h er e s u l t sa m o 叩h o u sr e g i o n c o n s i s t so fm i l kp
5、m t e i n T h ep m p e r t i e ss u c ha sh y d r o s c o p i c i t y ，m e c h a n i c s ，a n df d c t i o no ft h en b e rw e r et e s t e d a n dt h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tm i l kp r o t e i n6 b e ri sa ne x c e l l e n tt e x t i l em a t e r i 砒w h i c hh a si n t e # ；r a t e dt
6、 h eI n e r i t s o fs i l ka n ds v n t h e t i cn b e r K e yw o r d s m i l kp r o t e i nn b e r ；s t m c t u r e ；p r o p e r t y ；X r a yd i m a c t i o n 牛奶蛋白纤维是将牛奶液体去水、脱脂，制成牛 奶蛋白质，与聚乙烯醇共混，经湿法纺丝而成的再生 纤维2o 。牛奶蛋白纤维既具有合成纤维强度高、收 缩小等品质，又具有天然纤维柔软、亲肤、吸湿、透 气、染色好、色牢度强等优点b 1 ，是一种集天然纤维 和合成纤维优点于一身的纺织新原料。
7、 在日本等国家，牛奶蛋白纤维已实现产业化生 产，并有很多相关产品推向市场，在国内，牛奶蛋白 纤维只是近几年才得到有关企业和研究人员的关 注。目前国内对牛奶蛋白纤维的结构和性能的研究 还比较少。为此，本文采用扫描电子显微镜和x 射 线衍射仪对牛奶蛋白纤维的形态和结晶结构进行了 分析和研究，测试和探讨了牛奶蛋白纤维的各项 性能。 1 实验部分 1 1 材料 1 4 0d t e x 3 6 4m m 牛奶蛋白纤维，由郑州天羽 蛋白纤维有限公司提供。 1 2 方法 纤维截面和表面形态用日立S 5 7 0 型扫描电子 显微镜观察；用D M a 】【3 C 型x 射线衍射仪测定牛 奶蛋白纤维的结晶结构。
8、测试条件：N i 滤波，c u 靶 射线，管压4 0k V ，管流4 0m A ，扫描速度 2 ( 。) m i n ，从5 。到5 0 0 。 用绞盘法测定纤维的摩擦性能；用x Q 一1 型纤维 收稿日期：2 0 0 5 一l l 1 0修回日期：2 0 0 6 一0 5 一1 5 作者简介：李克兢( 1 9 6 3 一) ，女，汉族，副教授，硕士。主要研究领域包括新型纺织材料的开发、环保纺织品的设计和研究等。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【
9、5 8 】纺织学报第2 7 卷 强伸度仪测定纤维的力学性能；用Y G 3 2 l 型纤维比 电阻仪测试纤维的比电刚5 | 。3 种测试均在标准大 气条件下完成；在2 0 下进行纤维吸湿性能的测 定，测试前纤维放在恒温恒湿的房间内平衡2 4h 。 2 结果与讨论 2 1 形态结构 牛奶蛋白纤维的横截面及表面形态的扫描电子 显微镜照片如图1 所示。由图1 ( a ) 可见，纤维横截 面呈扁平状，哑铃形或腰圆形，属于异形纤维，并且 在截面上有细小的微孑L ，这些细小微孑L 对纤维的吸 湿、透湿性有很大的影响。从图1 ( b ) 中观察到纤维 的纵向表面有不规则的沟槽和海岛状的凹凸，这是 由于纺丝过程
10、中纤维的表面脱水、纤维取向较快形 成的，它们的存在也使纤维具有优异的吸湿和透湿 性能，同时对纤维的光泽和刚度也有重要影响。纤 维表面的不光滑和一些微细的凹凸变化可以改变光 的吸收、反射、折射和散射，从而影响纤维的光泽性， 纤维表面粗糙时，具有柔和的光泽，而不会出现“极 光”现象一1 。牛奶蛋白纤维具有一定的卷曲，外观 为微黄色，手感柔软。 ( a ) 横截面( b ) 纵向 图1 牛奶蛋白纤维的形态结构( l5 ) 2 2 结晶结构 用广角x 一射线衍射仪测试得到牛奶蛋白纤维 的衍射曲线，如图2 所示。图3 为水溶性和高强高 模聚乙烯醇( P v A ) 纤维的衍射曲线怫1 。由图2 可 知，
11、牛奶蛋白纤维的聚集态结构存在着结晶和无定 形的两相结构，有明显的结晶峰。进一步比较图2 和图3 可知，牛奶蛋白纤维的衍射峰和P V A 纤维的 衍射峰2 口完全一致，衍射峰均出现在2 臼为1 1 3 0 、 1 6 4 0 、1 9 5 。、2 2 6 。、2 7 3 0 和3 2 5 0 处，其它处没有出现 衍射峰。特别是和高强高模P V A 纤维相比，衍射曲 线的形状完全一致，由此可推测牛奶蛋白纤维可能是 酪素( 牛奶蛋白) 和P V A 的共混物，因为一般接枝共 聚物的衍射强度曲线不会如此相似。图2 还说明了 牛奶蛋白纤维的结晶区由P V A 构成，酪素存在于牛 奶蛋白纤维的无定形区。这
12、是因为牛奶蛋白纤维中， 酪素的含量比较少，仅占3 0 左右，而且酪素是多种 氨基酸以肽键相连的高分子蛋白质，其氨基酸组成复 杂、分散，绝大部分具有较大的侧基，因此不易结 晶。 鲎 遗 醺 舞 控 鲎 趣 鹱 按 ：皋 图2 牛奶蛋白纤维的x 射线衍射曲线 A 一水溶性P v A 纤维；B 一高强高模P v A 纤维 图3P v A 纤维的x 射线衍射曲线 牛奶蛋白纤维的结晶度和晶粒尺寸用分峰测6 3 计算后结果见表1 。其结晶度和晶粒尺寸与P v A 纤 维非常接近，结晶度低于蚕丝纤维。 表l 牛奶蛋白纤维结晶结构参数 2 3 吸湿性能 由表1 可知，牛奶蛋白纤维的无定形区要比蚕 丝大，标准状
13、态下，牛奶蛋白纤维的回潮率约为 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第8 期李克兢等：牛奶蛋白纤维的结构与性能【5 9 】 7 6 5 ，略低于蚕丝的标准回潮率8 一9 ，但高于行为，即初始模量很高；应变为l 左右时，发生屈 P V A 纤维的回潮率5 ，这是因为纤维吸湿性是由服，拉伸曲线发生明显的转折；屈服后，应力缓慢增 纤维的微观结构和亲水基团共同决定的。水分子很大。屈服点以前的高模量是由聚乙烯醇结晶部分贡 难渗透到纤维结晶部分的内部，但结晶表面对
14、吸湿献的，在屈服点附近，由于拉伸导致某些构象的转变 是起作用的，蚕丝结晶部分仍是亲水性较大的肽链以及链段的伸展，过屈服点后模量开始下降。结合 分子，而牛奶蛋自纤维则是亲水性稍差的聚乙烯醇牛奶蛋白纤维的结构可知，聚乙烯醇结晶部分占主 缩甲醛。体，对纤维的力学性能起主要作用，因而纤维的拉伸 图4 是牛奶蛋白纤维在温度为2 0 ，相对湿度曲线形状和聚乙烯醇纤维有相似之处。 为6 0 时的吸湿滞后曲线。对比P v A 纤维的吸湿 7r 性能，可以发现，牛奶蛋白纤维无定形区的蛋白质肽 。r 链分子对其良好的吸湿性起主要作用，也进一步证 蚕：l 明了对牛奶蛋自纤维结构组成的分析是正确的。 杂3 2 0f
15、”+ 2 ：人t | 1 4L o 掌L L 一 蓬1 2 静l O 蓦 ： 4 2 O 123456789 时间m 图4 牛奶蛋白纤维的吸湿滞后曲线 2 4 拉伸性能 O 51 01 52 0 伸长率慌 图5 牛奶蛋白纤维的强力与伸长曲线 牛奶蛋自纤维的拉伸性能见表2 。从其干态和 湿态性能的对比可以看出，牛奶蛋白纤维的干态强 力比湿态强力大，这说明牛奶蛋白纤维的含水率对 其拉伸性能有一定的影响。但从表中数据可以看 出，湿态下牛奶蛋白纤维的强力及伸长的变化比桑 蚕丝小。由此可得出结论，牛奶蛋白纤维含水的多 牛奶蛋自纤维的强力与伸长曲线有明显的虎克少对其拉伸性能影响不是很显著，因此，在纺纱过程
16、 区、屈服区和增强区，见图5 。其拉伸表现出特有的中，可以采用加湿的方法去除静电。 表2 牛奶蛋白纤维与其它常见纤维的拉伸性能对比 5 摩擦性能 纤维的摩擦性能是一项重要的表面性能，不但 晌到纤维的抱合、成纱、磨损和变形，还影响到成 的手感风格。表3 列出了牛奶蛋白纤维的摩擦性 ，由表3 可知，牛奶蛋白纤维的摩擦因数较高，纤 司的抱合力好，因此，在采用机械方法加工时，可 6 必进行卷曲加工，而且纤维成纱后，其强力较 有利于纺纱加工。很显然牛奶蛋白纤维的摩擦 表3 牛奶蛋白纤维的摩擦性能 性能与其特有的表面形态结构有关，非圆形的横截 面和纵向表面的沟槽对纤维的摩擦性能起决定性作 用。表4 对比了
17、牛奶蛋白纤维与一些常见纤维的摩 擦性能。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【6 0 】 纺织学报第2 7 卷 2 6 电学性能 牛奶蛋白纤维的比电阻与天然纤维相比偏高， 较大多数合成纤维来说偏低，见表5 。因而牛奶蛋 白纤维在纺纱加工过程中静电现象比较严重，须加 适当的油剂和抗静电剂。 表4 牛奶蛋白纤维与其它纤维的摩擦性能对比 表5 牛奶蛋白纤维与其它纤维质量比电阻比较 ( n c m 2 ) 纤维种类 质量比电阻纤维种类 质量比电阻 羊毛l0
18、8 l0 9 ( 2 0 ，相对湿度0 ) 9 桑蚕丝1 0 9 。l O ” 粘胶1 0 7 ( 2 0 ，相对湿度6 5 ) ” 锦纶，涤纶( 去油)1 0 ”。l O “ 棉l0 6 1 0 7腈纶( 去油)1 0 ”一l O “ 麻1 0 7 1 0 8 3结论 1 ) 牛奶蛋白纤维横截面呈扁平状，哑铃形或腰 圆形，横截面有细小的微孔，纤维的纵向表面有不规 则的沟槽和海岛状的凹凸，这使纤维具有优异的吸 湿和透湿性能。 2 ) 牛奶蛋白纤维的结晶结构与聚乙烯醇纤维 相似，其聚集态结构由聚乙烯醇为主体的结晶部分 和牛奶蛋白为主体的无定形部分组成。 3 ) 牛奶蛋白纤维克服了合成纤维吸湿性差
19、和 天然纤维强度低的不足，其比电阻介于天然纤维和 合成纤维之间。 4 ) 牛奶蛋白纤维的非圆形横截面和纵向表面 的沟槽使其具有较高的摩擦因数，纤维间的抱合力 好，有利于成纱加工。黼 参考文献： 1 杨旭红牛奶蛋白纤维c h i n o n 的性能与特征 J 丝 绸，1 9 9 9 ，( 1 1 ) ：3 9 4 2 2 杨建慧牛奶蛋白纤维2 l 世纪的生态纤维材料 J 四川丝绸，2 0 0 1 ，( 4 ) ：4 l 一4 2 3 薛允连牛奶蛋白纤维 J 陕西纺织，1 9 9 9 ，( 2 ) ：4 8 4 9 4 苏寿南，章潭莉，胡学超，等牛奶蛋白纤维的新崛起 J 合成技术及应用，1 9 9
20、 9 ，1 4 ( 4 ) ：2 3 2 4 5 赵书经纺织材料试验教程 M 北京：纺织工业出版 社1 9 8 9 6 6 王卫华，陆维民，董建华，等牛奶蛋白纤维的特性、应 用和成分检测 J 中国纤检，2 0 0 4 ，( 6 ) ：2 2 2 5 7 徐颖，陆振荣，唐人成国产牛奶丝纤维的结构和热 性能 J 针织工业，2 0 0 5 ，( 2 ) ：2 2 2 4 8 唐爱民，陈港水溶性维纶的结构及对含二次纤维纸 张强度的影响 J 中国造纸，2 0 0 2 ，( 4 ) ：9 1 2 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark