牛奶蛋白纖維的性能及應(yīng)用

郭昌盛,蔣 芳,林海濤

(廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西柳州 545000)

?

牛奶蛋白纖維的性能及應(yīng)用

郭昌盛,蔣 芳,林海濤

(廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西柳州 545000)

介紹了牛奶蛋白纖維的制備、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用；根據(jù)其性能缺陷和應(yīng)用領(lǐng)域，提出對牛奶蛋白纖維的改性研究是很有必要的。

牛奶蛋白纖維 制備 結(jié)構(gòu) 性能 應(yīng)用

牛奶蛋白纖維又叫做“牛奶絲”或“牛奶纖維”，它是第一代天然纖維和第二代合成纖維之后的新一代纖維。利用生物工程的方法把牛奶酪蛋白纖維植入合成纖維中，具有二者優(yōu)異的性能，這是紡織材料新的里程碑[1]。牛奶蛋白源自于1935年意大利的SNIA公司和英國的coutaulds公司。1956年日本東洋紡公司用新西蘭牛奶蛋白溶液和丙烯腈聚合物共混、共聚及接枝，生產(chǎn)出牛奶蛋白長絲，于1969年正式工業(yè)化生產(chǎn)，我國自20世紀(jì)60年代開始研究[2，3]。隨著石油資源的枯竭、人類健康水平的提高，牛奶蛋白纖維的研究和應(yīng)用會進一步的加深和提高。本文從牛奶蛋白纖維的制備、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用四個方面進行簡單介紹。

1 牛奶蛋白纖維的制備

牛奶主要成分有蛋白質(zhì)、水、乳糖、維生素及灰分等，其中蛋白質(zhì)是制造牛奶蛋白纖維的基本原料。牛奶蛋白可以紡絲成纖，主要因為它具有成纖高聚物的基本條件[4]：其一，牛奶蛋白大分子鏈形，而不像血紅蛋白那樣是球狀蛋白；其二，具有一定的柔性和大分子間力，因大分子是由無數(shù)個肽鍵組成，且大分子間有氫鍵，還有其他極性基團貢獻的分子間力如-SH,-NH2等；其三，具有較好的可紡性，因蛋白質(zhì)與水形成膠體溶液紡絲后，水分揮發(fā)除去，兩分子會互相靠攏形成氫鍵，從而多肽鏈平行排列甚至扭在一起，固化成絲條，絲條的斷裂強度可達(dá)到2.5cN/dtex,可滿足紡織纖維的基本要求[5]。

牛奶蛋白纖維的基本原料為牛乳，主要可以分為三部分：乳酪蛋白的制備、紡絲原液的制備和牽伸紡絲[6]。由牛乳中含有80%以上的水分，故需要經(jīng)過脫水(含水60%以下)，再加入堿使脂肪分解達(dá)到脫油、脫脂的作用，利用鹽析法或透析法分離、提純蛋白質(zhì)(一種具有線性大分子結(jié)構(gòu)的乳酪蛋白)，然后再與聚丙烯腈或聚丙烯醇進行共混(牛奶蛋白和聚丙烯醇或聚丙烯腈混合成紡絲原液)、交聯(lián)(在牛奶蛋白和聚丙烯醇或聚丙烯腈合溶液中加混入交聯(lián)劑使其進行高聚物交聯(lián)化學(xué)反應(yīng)制備紡絲原液)、或接枝共聚(在牛奶蛋白和聚丙烯醇或聚丙烯腈體系中催化發(fā)生高聚物接枝共聚制備出紡絲原液)，最后利用濕法紡絲成纖、固化、牽伸、干燥、卷曲、定形、分級、包裝等[4,7,8]。

2 牛奶蛋白纖維的結(jié)構(gòu)

嚴(yán)格來說，只有100%的酪素制備的纖維才叫做牛奶蛋白纖維，但是純牛奶蛋白纖維的斷裂強度比較低，在一定程度上限制了在其紡織行業(yè)中的應(yīng)用。目前牛奶酪蛋白與聚丙烯腈或聚丙烯醇制成的纖維也叫作牛奶蛋白纖維，高聚物的引入提高了其斷裂強度，國內(nèi)牛奶蛋白纖維的主要組分如表1。而在有些報道中還有牛奶蛋白/纖維素共聚的黏膠基牛奶蛋白纖維，稱為黏膠基牛奶蛋白纖維，但此種不常見[9]。牛奶蛋白纖維中含有17種氨基酸，具有很好的皮膚保健功能。

表1 國內(nèi)牛奶蛋白主要組分

牛奶蛋白纖維外觀呈乳白色，有著真絲般的柔和光澤和滑爽感。牛奶蛋白纖維橫截面可以根據(jù)需求而改變，橫截面上有很多細(xì)小的微孔，縱向表面有很多不規(guī)則的溝槽和海島狀的凹凸，這是因為紡絲的過程中纖維表面脫水，纖維取向較快而形成的[10]。牛奶蛋白纖維中酪蛋白組分大部分分布于纖維的無定形區(qū)，使纖維在高溫水中容易產(chǎn)生酪素蛋白而溶解失去。聚丙烯腈基牛奶蛋白纖維在800C的水中處理80min后，失重可達(dá)8%。

3 牛奶蛋白纖維的性能

牛奶蛋白纖維的斷裂強度高，比羊毛、棉、黏膠和蠶絲還好，其斷裂伸長率也比棉纖維高，吸濕性比棉纖維也略好，密度低于棉花纖維，牛奶蛋白纖維與其他纖維的部分性能比較如表2[11]。另外，牛奶蛋白纖維的初始模量和抵抗變形能力也比較好。牛奶蛋白纖維的耐熱性略差，溫度48℃時開始失重，92.7℃時有一個熱的分解峰，達(dá)到149℃時，失重可達(dá)到4%，因此對牛奶蛋白纖維或織物后處理時需要注意其耐熱性。牛奶蛋白纖維的抗靜電性比較差，帶上靜電之后很難消除，因此在紡紗或織物后整理時，需要注意靜電因素。牛奶蛋白纖維表面的摩擦系數(shù)比較小，與蠶絲比較接近，纖維間的抱合力不大，容易產(chǎn)生滑移，不利于紡紗過程的順利進行，需要加入適當(dāng)?shù)挠蛣ＥＤ痰鞍桌w維與其他種類纖維表面靜、動摩擦系數(shù)比較如表3[12]。

表2 牛奶蛋白纖維與其他纖維的性能比較

表3 牛奶蛋白纖維與其他種類纖維表面動、靜摩擦系數(shù)

由于牛奶蛋白纖維是由兩類高聚物共混、接枝或共聚的過程包括物理化學(xué)變化，纖維的化學(xué)特性是高聚物各自的特性和綜合特性的組合。牛奶蛋白纖維遇熱熔融，燒后有硬塊且有燒毛發(fā)后的臭味。牛奶蛋白纖維耐堿性比羊毛還差，不能采用氯漂，耐酸性還不錯。牛奶蛋白纖維制品可用染料種類比較多，如活性染料、弱酸性染料及中性染料，上染率高且速度快，染色較均勻。而羊毛纖維不用活性染料，牛奶蛋白纖維采用活性染料后，其耐洗牢度好、鮮艷度高，染較深顏色時需要充分皂洗[13-15]。 牛奶蛋白纖維經(jīng)紫外線照射后，斷裂強力下降很少。因此，牛奶蛋白纖維的耐光性很好。

牛奶蛋白纖維含有多種人體所必須的氨基酸，共包含17種氨基酸，具有很好的皮膚親和力和護膚之功能。纖維中還含有豐富的天然蛋白保濕因子(因為牛奶蛋白纖維在制造過程中脂肪分解出的甘油，部分遺留到紡絲溶液中)，對人體皮膚又起到滋潤作用，使皮膚更加細(xì)膩光滑。牛奶蛋白纖維不像其他蛋白纖維(羊毛、真絲)那樣容易蟲蛀，具有天然的殺菌作用，能夠抑制大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等，抑菌率高達(dá)80%以上且持久性強[5,16]。牛奶蛋白纖維還可以產(chǎn)生大量的功能性負(fù)離子可達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)，從而凈化空氣，促進血液循環(huán)[17]，從而也在一定程度上起到抑菌的效果。牛奶蛋白纖維手感如羊絨和蠶絲般柔軟、滑爽，具有吸濕、導(dǎo)濕性好的特點，使其有著較高的“睡眠舒適指數(shù)”[8]。此外，穿著牛奶蛋白纖維制作的內(nèi)衣，還具有矯正身形的功能。

4 牛奶蛋白纖維的應(yīng)用

牛奶蛋白纖維可純紡，也可以與棉纖維、毛纖維、竹纖維、大豆纖維、苧麻纖維、合成纖維等混紡。牛奶蛋白纖維純紡織物，手感柔軟、滑爽、吸濕性好、抗菌消炎。牛奶蛋白纖維與棉纖維混紡，可提高織物的柔軟性和親膚性；與羊絨混紡，可改善其質(zhì)感，制成薄型織物如牛奶羊絨大衣、內(nèi)衣、外衣面料等；與麻纖維混紡，可制成外衣、T恤衫、襯衫等面料；與合成纖維混紡，可改善合成纖維的吸濕導(dǎo)濕性[18，19]。由于牛奶蛋白纖維綜合性能優(yōu)異，可采用機織、針織、非織造等方式，牛奶蛋白纖維可以用于多種服飾，如時裝、童裝內(nèi)衣、床上用品、日常用品等方面。

由于牛奶蛋白纖維具有真絲般的柔和光澤，采用細(xì)特牛奶蛋白纖維紗制成的面料懸垂性極好、紋路也較清晰，還有絲鳴感給人以飄逸灑脫的感覺，故其是制作高檔服裝面料的理想面料?？梢灾谱髂信蓍e服飾、女性時裝、針織套衫、女士襯衫、牛仔褲、夏季T恤、日本和服等，又可以與其他種類纖維混紡，制成大衣、襯衫保暖服飾面料。用牛奶蛋白纖維制成的時裝光澤柔和、雍容華貴、輕盈飄逸[20]。

牛奶蛋白纖維紡織品可以應(yīng)用于女士內(nèi)衣、睡衣、貼身短內(nèi)褲、運動胸衣、兒童服飾面料等接觸皮膚衣物。采用牛奶蛋白纖維制成的這些衣物柔軟、輕便、滑爽、親膚性，制成的內(nèi)衣嚴(yán)冬時溫暖如春，可吸收運動時產(chǎn)生的汗液，良好的透氣性使您在酷夏也能感受到絲絲的涼意。另外，其纖維制品還具有殺菌、滋潤皮膚的作用，人稱“第二皮膚”。因此，牛奶蛋白纖維內(nèi)衣要比純棉內(nèi)衣穿著更舒服。

牛奶蛋白纖維紡織品可以制作手套、短襪、帽子、連褲襪、圍巾、浴巾、手帕、毛巾以及裝飾線。因為手、腳和頭部對寒冷比較敏感，皮膚細(xì)膩且容易滋生細(xì)菌，而牛奶蛋白纖維織物具有殺菌和滋潤皮膚能力、手感較為柔軟，故牛奶蛋白纖維是最佳的理想材料選擇[2]。牛奶蛋白纖維還可以制作床上用品，日本東洋紡“Chinon”把濕傳導(dǎo)性和溫暖感二者結(jié)合起來，使床上用品兼具舒適性、功能性和抗菌性[2,7]。

5 展望

牛奶蛋白纖維具有合成纖維強度高、收縮小、耐磨性好等品質(zhì)，又有天然纖維的柔軟、吸濕透氣、抗菌護膚等優(yōu)點，是一種聚集合成纖維和天然纖維優(yōu)點于一體的新型紡織纖維。但也具有二者共有的缺陷如天然蛋白纖維不耐強堿、高溫收縮、氧化漂白易損失蛋白，以及色澤鮮艷度差、價格昂貴等缺陷，這些缺陷在一定程度上限制了牛奶蛋白產(chǎn)品的多樣性。隨著對牛奶蛋白纖維研究的深入，纖維改性技術(shù)的完善，其纖維綜合性能會越來越優(yōu)異，并且能充分地發(fā)揮出自身的潛在價值，應(yīng)用領(lǐng)域也會越來越廣。

[1] 富秀榮,郭增革. 牛奶蛋白纖維的結(jié)構(gòu)性能及其應(yīng)用[J]. 廣東化工,2012(2):244-245.

[2] 楊旭紅.牛奶纖維Chinon的性能與特征[J]. 絲綢,1999(11):39-41.

[3] 楊建慧.牛奶纖維——21世紀(jì)的生態(tài)纖維材料[J]. 四川絲綢,2001(4):41-42.

[4] 李輝芹. 牛奶蛋白纖維的性能與制備[J]. 江蘇絲綢,2006(4):7-9.

[5] 馬晶. 牛奶蛋白改性聚丙烯腈纖維的結(jié)構(gòu)和染色性能研究[D]. 青島： 青島大學(xué)， 2009.

[6] 陳莉萍,于偉東. 羊毛角朊蛋白的再生利用技術(shù)[J]. 毛紡科技,2003(4):3-7.

[7] 王碧嶠. 牛奶蛋白纖維針織產(chǎn)品起毛起球性能研究[D].上海：東華大學(xué),2009.

[8] 陸夢,劉茜. 牛奶纖維及其產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用[J]. 黑龍江紡織,2010(3):17-19.

[9] 齊利霞. 牛奶蛋白纖維及其混紡產(chǎn)品的熱濕舒適性研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué),2007.

[10]翁揚,曹小紅. 牛奶蛋白纖維的性能與產(chǎn)品開發(fā)探討[J]. 中國纖檢,2011(9):80-83.

[11]宗亞寧.新型紡織材料及應(yīng)用[M]. 北京:中國紡織出版社,2009.

[12]馮昆陽. 牛奶蛋白纖維水刺非織造工藝與產(chǎn)品性能研究[D].上海：東華大學(xué),2009.

[13]張建英,馬晶. 牛奶蛋白纖維與羊毛纖維的性能比較[J]. 毛紡科技,2008(6):26-29.

[14]馬晶,張建英,張林,等. 陽離子染料對牛奶蛋白纖維的染色性能研究[J]. 印染助劑,2009(4):22-24.

[15]李彩霞,王進美,李楊. 再生蛋白質(zhì)纖維的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 紡織科技進展,2014(6):4-6.

[16]楊樂芳. 牛奶蛋白纖維的生態(tài)功能性評價及產(chǎn)品開發(fā)[J]. 上海紡織科技,2007(2):46-48.

[17]賈書剛,姚金波,孫艷麗,李博. 再生動物蛋白纖維的研究進展[J]. 毛紡科技,2013(10):60-64.

[18]趙博. 牛奶纖維紡紗工藝探討[J]. 紡織科技進展,2005(3):41-42.

[19]趙博. 牛奶纖維sirofil紡針織紗工藝[J]. 紡織學(xué)報,2005(2):116-117.

[20]章水龍,蔣建清,楊新勇. Tencel纖維牛奶蛋白纖維混紡紗的生產(chǎn)[J]. 棉紡織技術(shù),2006(8):37-39.

2016-09-03

郭昌盛(1988-)，男，碩士，研究方向：紡織纖維改性及功能性纖維材料。

蔣芳(1980-)，女，碩士，講師。

TS102

A

1008-5580(2016)04-0170-03