再生羽毛蛋白纖維的研制

周彬，王慧玲

（鹽城紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇鹽城 224000）

再生羽毛蛋白纖維的研制

周彬，王慧玲

（鹽城紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇鹽城 224000）

介紹了再生羽毛蛋白纖維的紡制工藝，對(duì)紡制纖維的理、化性能進(jìn)行了測(cè)試分析，結(jié)果顯示:采用氧化法制取羽毛角蛋白原液，紡絲原液中纖維素、蛋白質(zhì)比例6∶4，堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，紡絲液黏度為40～60 s時(shí)，紡制出的再生羽毛蛋白纖維（2.7 dtex）干強(qiáng)為2.1 cN/dtex，濕強(qiáng)為1.8 cN/dtex，初始模量為33 cN/dtex，回潮率為13.8%，具有優(yōu)良的強(qiáng)伸性及吸濕透汽性，同時(shí)對(duì)皮膚具有很好的親和力。

再生羽毛蛋白纖維;紡制工藝;理化性能

羽毛是鳥類和禽類表皮細(xì)胞角質(zhì)化的衍生物，占其體重的10%左右。據(jù)測(cè)定，羽毛角蛋白的粗蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約在80%以上，氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在70%以上。中國(guó)是世界上畜牧、家禽養(yǎng)殖最多的國(guó)家之一，角蛋白資源極其豐富，尤其在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，大規(guī)模的家禽養(yǎng)殖產(chǎn)生了大量的角蛋白廢物，其中羽毛廢棄物年產(chǎn)量達(dá)100多萬(wàn)噸，這是一筆豐富的蛋白質(zhì)資源，對(duì)這些廢棄蛋白質(zhì)的開發(fā)利用不僅能減少環(huán)境污染，同時(shí)也能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［1－3］。

1 再生羽毛蛋白原液制備原理及工藝流程

1.1 蛋白原液制備原理

羽毛纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為一次結(jié)構(gòu)和二次結(jié)構(gòu)。一次結(jié)構(gòu)指羽毛角蛋白主鏈的氨基酸組成、肽鏈中氨基酸序列等，主要指氨基、羧基縮合而成的肽鍵（—CO—NH—）組成的多肽鏈。二次結(jié)構(gòu)指角蛋白結(jié)構(gòu)中鏈段的構(gòu)象，其中兩個(gè)半胱氨酸間的二硫鍵（—S—S—）是角蛋白纖維中的主鍵，肽鏈中═CO和—NH2之間的氫鍵維持其構(gòu)象穩(wěn)定性。羽毛纖維中，除肽鍵、二硫鍵、氫鍵，還存在離子鍵（即鹽式鍵）、疏水鍵、配位鍵和范德華力等，共同維持角蛋白分子構(gòu)象穩(wěn)定［3］。角蛋白中基本鍵能范圍如表1。

表1 角蛋白中基本鍵能范圍

角蛋白分子間和分子內(nèi)存在具有較高鍵能的高密度雙硫鍵，使相鄰肽鏈和自身肽鏈的不同部分交聯(lián)，加上角蛋白分子的氫鍵和鹽式鍵，使之性質(zhì)非常穩(wěn)定，難溶于一般溶劑，限制了它的應(yīng)用。得到可溶性角蛋白的關(guān)鍵是使雙硫鍵等化學(xué)鍵斷裂，當(dāng)90%以上的雙硫鍵斷開時(shí)角蛋白的溶解性非常好。常用的角蛋白溶解方法有酸性法、堿性法、氧化法、還原法、銅氨溶液法、金屬鹽法等。其中氧化法主要斷裂雙硫鍵，對(duì)分子鏈的完整性破壞較小，可以較好地溶解羽毛并獲得較高分子質(zhì)量的再生羽毛蛋白原液，同時(shí)其制成率也較其它方法高，因此，在眾多的羽毛角蛋白質(zhì)溶液制備方法中，氧化法更具實(shí)際應(yīng)用意義。本文采用氧化法羽毛角蛋白質(zhì)溶液的制備工藝［4］。

1.2 原料

羽毛（以鴨毛為例）

1.3 試劑及儀器設(shè)備

試劑:過(guò)氧乙酸，十二烷基苯磺酸鈉等。

儀器設(shè)備:KQ－5200DE超聲波清洗機(jī)，工業(yè)烘干機(jī)，pH計(jì)，濾紙，燒杯，玻璃棒等。

1.4 工藝過(guò)程

（1）洗毛。去除塵土、脂汗、污垢等。將一定量的鴨毛放入KQ－5200DE超聲波清洗機(jī)，按浴比1∶10加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的十二烷基苯磺酸鈉溶液，調(diào)節(jié)水溫至50～60℃，打開超聲波清洗器清洗10 min，然后將洗液濾除，再用清水沖洗3～5 min，濾除洗液，收集鴨毛。

（2）采用工業(yè)烘干機(jī)于70～80℃，將洗凈的鴨毛烘燥10～20 min。

（3）稱取一定量洗凈、干燥后的鴨毛放入KQ－5200DE超聲波清洗機(jī)，按照浴比1∶15投入0.1～0.2 mol/L的過(guò)氧乙酸氧化溶液中，調(diào)節(jié)水溫50～70℃，溶解時(shí)間為15～20 min，待大部分溶解后，再用稀堿溶液進(jìn)行水解處理，經(jīng)過(guò)濾濾除不溶性的固體便獲得再生蛋白質(zhì)原液。

溶解處理過(guò)程在KQ－5200DE超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行，其超聲頻率40 kHz，超聲功率200 W，功率可調(diào)40%～100%，加熱功率600 W，溫度可調(diào)20～80℃，時(shí)間可調(diào)1～480 min。其作用機(jī)理為:當(dāng)超聲波作用于液體時(shí)，液體介質(zhì)要做壓縮與稀疏的周期振動(dòng)，從而引起液體內(nèi)部各點(diǎn)受到壓力或拉伸力作用，拉伸力的作用會(huì)將大量液體“撕裂”，并形成大量微小氣泡，即空化泡。當(dāng)這些巨量空化泡破裂時(shí)，能放出巨大的能量，可以產(chǎn)生高達(dá)幾百個(gè)大氣壓的局部瞬間壓力，從而形成沖擊波，對(duì)浸在液體內(nèi)部的固體物質(zhì)表面形成強(qiáng)大的沖擊與破壞。這就是高強(qiáng)度超聲波特有的“空化效應(yīng)”。當(dāng)超聲波頻率達(dá)到一定程度時(shí)，還可以使大分子解聚。利用超聲波的空化效應(yīng)作用于鴨毛的宏觀與微觀結(jié)構(gòu)，從而大大提高鴨毛溶解的效率，并極大地減少化學(xué)試劑（過(guò)氧乙酸）的濃度、用量及作用時(shí)間，防止過(guò)氧乙酸對(duì)鴨毛的過(guò)度溶解而不利于紡絲的進(jìn)行，從而達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、高效的目的。

2 再生羽毛蛋白纖維的紡制

2.1 原料

再生羽毛蛋白原液，黏膠原液

2.2 試劑與儀器設(shè)備

化學(xué)試劑:氫氧化鈉，硫酸，硫酸鈉，硫酸鋅，甲醛，助劑等。

儀器設(shè)備:pH計(jì)，紡絲小樣機(jī)，濾紙、燒杯、玻璃棒等。

纖維成形原理:在一定條件下將一定濃度的水解蛋白原液與纖維素（黏膠）原液，按一定的配比混合進(jìn)行紡絲，并經(jīng)后處理加工制成理想的再生蛋白纖維，這樣蛋白質(zhì)纖維之中的肽鍵（—CO—NH—）與纖維素中的—OH形成氫鍵，產(chǎn)生較強(qiáng)的分子結(jié)合力，從而形成新型蛋白質(zhì)的復(fù)合纖維。

2.3 工藝流程

（再生羽毛蛋白原液、黏膠原液、助劑）→過(guò)濾→脫泡→計(jì)量紡絲→縮醛化處理→塑化牽伸→切斷→脫硫→漂白→酸洗→水洗→上油→脫水→烘干。

2.3.1 紡絲原液的配制

根據(jù)蛋白質(zhì)溶液中蛋白質(zhì)的含量，再生蛋白質(zhì)纖維中纖維素與蛋白質(zhì)的含量，計(jì)算出所需黏膠原液和蛋白質(zhì)原液的體積。隨后將兩種溶液混合后充分?jǐn)嚢杈鶆?，脫泡、過(guò)濾制得紡絲原液。紡絲原液中纖維素、蛋白質(zhì)、堿的含量與比例對(duì)紡絲原液的質(zhì)量、紡絲可紡性、再生蛋白質(zhì)纖維服用性能等起著關(guān)鍵作用。蛋白質(zhì)含量過(guò)高，紡絲原液黏度大，過(guò)濾困難;蛋白質(zhì)含量太低，則纖維成品蛋白質(zhì)纖維的性能不佳。通過(guò)試驗(yàn)獲得較好的紡絲工藝條件為:紡絲原液中纖維素、蛋白質(zhì)比例6∶4左右，堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%。制得紡絲液的黏度40～60 s［2～3］。

2.3.2 紡絲浴的配制

依據(jù)黏膠纖維的成形條件對(duì)紡絲浴進(jìn)行選擇及配置，為保證纖維的成形及質(zhì)量穩(wěn)定性采用低酸紡絲浴并在浴液中添加一定量有機(jī)助劑。紡絲浴組成:硫酸40～50 g/L，硫酸鈉300～320 g/L，硫酸鋅5.0～10.0 g/L。助劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，凝固浴溫度45～50℃［2－4］。

2.3.3 縮醛化、塑化

經(jīng)計(jì)量泵將紡絲原液壓入紡絲浴中紡出的蛋白質(zhì)纖維素纖維絲條，必須通過(guò)含一定濃度的甲醛（或其它多醛）溶液槽使蛋白質(zhì)分子進(jìn)行縮醛化處理，保證蛋白質(zhì)分子鏈的穩(wěn)定性。然后再通過(guò)含有硫酸溶液的高溫塑化槽，對(duì)絲束進(jìn)行塑化牽伸。保證再生蛋白質(zhì)纖維的強(qiáng)伸度等物理機(jī)械指標(biāo)［2－4］。

2.3.4 后處理

經(jīng)塑化和牽伸的蛋白質(zhì)纖維素纖維經(jīng)水洗、脫硫、水洗、上油、干燥等工序制得再生蛋白質(zhì)纖維。

3 再生羽毛蛋白纖維理化性能［5］

3.1 原料

再生羽毛蛋白纖維。

3.2 化學(xué)試劑與儀器設(shè)備

化學(xué)試劑:氫氧化鈉（5%），硫酸（75%），鹽酸（37%）等。

儀器設(shè)備:Y171中段切斷器，LLY－06B單纖維強(qiáng)力機(jī)，YG747八籃烘箱、YG321纖維比電阻試驗(yàn)儀，F(xiàn)A2004電子分析天平（0.1 mg）等。

3.3 耐酸堿性

將紡得的纖維分別用濃鹽酸（37%，24℃）、濃硫酸（75%，24℃）及氫氧化鈉溶液（5%，煮沸）進(jìn)行溶解試驗(yàn)，均有部分試樣溶解。

3.4 物理機(jī)械性能

再生羽毛蛋白纖維的物理機(jī)械性能見表2。

表2 再生羽毛蛋白纖維的物理機(jī)械性能

再生羽毛蛋白纖維的性能在很大程度上與紡絲原液中纖維素、蛋白質(zhì)比例有關(guān)，纖維中蛋白質(zhì)含量越大，纖維的斷裂強(qiáng)力越小。再生蛋白纖維的伸長(zhǎng)率在濕狀態(tài)下的各項(xiàng)性能穩(wěn)定，再生蛋白纖維的回潮率隨著蛋白質(zhì)含量的增加而變大，再生蛋白纖維的質(zhì)量比電阻隨著蛋白質(zhì)含量的增加而減小，因此再生蛋白纖維導(dǎo)電性能好，抗靜電能力好，用其制作成服裝后的穿著舒適性和抗靜電性能非常好。

制成的再生羽毛蛋白纖維性能優(yōu)越，它集蛋白質(zhì)纖維和纖維素纖維優(yōu)點(diǎn)于一身，具有優(yōu)良的吸濕性、透汽性和較好的斷裂伸長(zhǎng)率。纖維中有多種人體所需的氨基酸，具有獨(dú)特的護(hù)膚保健功能，具有較高的開發(fā)價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

再生羽毛蛋白纖維利用羽毛等不可紡蛋白質(zhì)纖維制成，該纖維性能良好，原料來(lái)源廣泛，且利用了某些廢棄材料，有利于環(huán)境保護(hù)。利用再生羽毛蛋白纖維制成的紡織品手感豐滿，性能優(yōu)良，價(jià)格低于同類羊毛面料，具有較大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著人口的增加，經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，對(duì)紡織材料需求將進(jìn)一步增大，而耕地資源有限，糧棉爭(zhēng)地的矛盾較為突出，為了解決紡織材料短缺問(wèn)題，除發(fā)展纖維素纖維及合成纖維外，采用高科技發(fā)展再生蛋白質(zhì)纖維意義重大。再生蛋白質(zhì)纖維可生物降解，性能優(yōu)良，符合當(dāng)今消費(fèi)者崇尚的綠色、自然的消費(fèi)理念，必將有廣闊的發(fā)展前景。

［1］蔡婷，趙耀明，楊崇嶺.羽毛角蛋白溶液的制備及研究［J］.印染助劑，2007（6）:20－23.

［2］奚伯君.再生蛋白纖維的研制及性能分析［J］.上海紡織科技，2002（12）:13－14.

［3］馬君志.再生蛋白質(zhì)纖維的開發(fā)［J］.紡織導(dǎo)報(bào)，2006（7）:33－36.

［4］奚伯君.再生蛋白纖維理化性能研究［J］.毛紡科技，2003（5）:7－9.

［5］趙書經(jīng).紡織材料實(shí)驗(yàn)教程［M］.北京:中國(guó)紡織出版社，2005.

RESEARCH AND PREPARATION OF RECONSTITUTED FEATHER PROTEIN FIBERS

ZHOU Bin，WANG Hui-ling
（Yancheng Textile Vocational Technology College，Yancheng 224000，China）

The spinning process of reconstituted feather protein fiber is introduced in this article，and physical and chemical properties of the fiber are measured and analyzed.The results show，under the spinning conditions that the feather keratin is dissolved by oxidation，ratio of cellulose to protein is 6:4，alkali content is 3% and spinning liquid viscosity is 40－60s，the reconstituted feather protein fibers（2.7 dtex）can be produced，its properties are asfollows:dry strength as 2.1cN/dtex，wet strength as 1.8 cN/dtex，the initial modulus of 33 cN/dtex，moisture regain of 13.8%，with excellent tenacity，wet absorption and good affinity to skin.

reconstituted feather protein fiber;spinning process;physical and chemical properties

TQ342.5

B

10.3969/j.issn.1672－500x.2011.01.004

1672－500X（2011）01－0012－04

2011－01－05

周彬（1981－），男，山東泰安人，講師，碩士，主要從事紡織品檢測(cè)與產(chǎn)品開發(fā)工作。