睡蓮蛋白黏膠纖維結(jié)構(gòu)與性能研究

宋慎群，宋向榮，范甫軍，周 莉，李明華

（1.江蘇康溢臣生命科技有限公司，江蘇 南通 226001；2.青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071）

隨著人們生活水平的提高、健康意識的增強(qiáng)，健康、親膚、綠色已成為功能纖維開發(fā)的熱點。抗菌親膚系列產(chǎn)品，尤其是家用紡織品、兒童紡織品、內(nèi)衣等，深受消費者的青睞。黏膠纖維來源于豐富的天然資源，具有柔軟舒適、吸濕透氣等優(yōu)點。

睡蓮為睡蓮科蓮，屬多年生水生草本植物。蓮制品包括蓮子、蓮房、蓮葉、蓮藕等。其中，蓮子、蓮房、蓮葉具有藥用和保健作用[1]。膠原蛋白是一種天然的蛋白，富含18種氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)，具有保濕護(hù)膚的作用。研究表明，早在20世紀(jì)80年代，國外已開展了膠原蛋白復(fù)合纖維的研究，特別是膠原蛋白與聚丙烯腈、聚乙烯醇共混制備復(fù)合纖維。膠原蛋白與此類合成纖維進(jìn)行共混，可降低膠原蛋白的水溶性，提高膠原蛋白的可紡性，同時，能提高合成纖維與人體皮膚的親和性以及合成纖維的吸濕性、染色性[2]。

本研究采用天然睡蓮的提取物，并與膠原蛋白、黏膠紡絲液共混紡絲制得了抗菌親膚的功能性纖維，并對該纖維的基本性能、抗菌性能、蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了測試與表征，為睡蓮蛋白黏膠纖維的生產(chǎn)和使用提供依據(jù)。

1 試驗

1.1 主要試劑和儀器

試劑：睡蓮提取物、膠原蛋白、去離子水、無水乙醇、冰醋酸、硫酸鋅、硫酸鈉、無水碳酸鈉等，以上試劑均為分析純。

儀器：Nicolet-6700傅里葉變換紅外吸收光譜；ZEISS EVO 18，Germany掃描電鏡；DMAXRD-II型X射線衍射儀；LLY-06E電子單纖維強(qiáng)力儀。

1.2 睡蓮蛋白黏膠纖維的制備

1.2.1 睡蓮提取物、膠原蛋白與黏膠共混紡絲液的制備

稱取20 g睡蓮提取物，將其溶于100 mL蒸餾水中，制成睡蓮提取物水溶液。稱取20 g膠原蛋白，將其按1∶1溶于蒸餾水中，制成膠原蛋白溶液，然后將睡蓮提取物與膠原蛋白按照1∶1混合，再以甲纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的配比與黏膠紡絲液混合。

1.2.2 睡蓮蛋白黏膠纖維的紡制

將經(jīng)過脫泡、過濾后的含有睡蓮提取物、膠原蛋白的黏膠共混紡絲液通過濕法紡絲，經(jīng)過凝固成型、拉伸和后處理得到睡蓮蛋白纖維。

2 纖維性能測試及分析

2.1 測試方法

2.1.1 纖維形態(tài)

將紡絲得到的纖維采用Y172型哈氏纖維切片器進(jìn)行橫向切片，然后將切片和纖維置于ZEISS EVO 18掃描電鏡下，觀察普通黏膠纖維和睡蓮蛋白黏膠纖維的橫截面和縱向形態(tài)。

2.1.2 纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)

利用傅里葉紅外光譜儀（FT-IR），將普通纖維和睡蓮蛋白黏膠纖維分別采用溴化鉀壓片測試化學(xué)結(jié)構(gòu)，波數(shù)范圍為4 000～300 cm-1，分辨率為2 cm-1。

2.1.3 纖維結(jié)晶度測試

利用X射線衍射儀測試普通纖維和睡蓮蛋白黏膠纖維的結(jié)晶度。掃面范圍為10°～80°，掃描速度為4°/min。

2.1.4 纖維力學(xué)性能測試

參照GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》，利用電子單纖維強(qiáng)力儀測試普通黏膠纖維和睡蓮蛋白黏膠纖維在干態(tài)、濕態(tài)下的力學(xué)性能。

2.1.5 纖維抗菌性能

抗菌性能測試分別根據(jù)GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分：振蕩法》和GB/T 209144.2—2007《吸收法測試?yán)w維對肺炎克雷伯氏菌和痤瘡桿菌的抑制率》完成。

2.1.6 纖維蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)

采用凱氏定氮法測試?yán)w維蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.2 結(jié)果與討論

2.2.1 睡蓮蛋白黏膠纖維的形態(tài)

睡蓮蛋白黏膠纖維的橫截面形態(tài)如圖1所示，縱向形態(tài)如圖2所示。

由圖1可見，普通黏膠和睡蓮蛋白黏膠纖維的橫截面都有明顯的鋸齒形外觀，但是睡蓮蛋白黏膠纖維的橫截面有明顯的孔隙，還有一些細(xì)小的顆粒清晰可見[圖1（b）箭頭]。由圖2可見，普通黏膠和睡蓮蛋白黏膠纖維的縱向表面有凹槽，但是睡蓮蛋白纖維表面有睡蓮提取物[圖2（b）]。這是由于睡蓮提取物和膠原蛋白溶液的加入導(dǎo)致黏膠紡絲液切力變稀，使得提取物分布于纖維表面。

2.2.2 睡蓮蛋白黏膠纖維傅里葉紅外光譜

睡蓮蛋白黏膠纖維和普通黏膠纖維的紅外光譜如圖3所示。由圖3（a）和由圖3（b）可以看出，睡蓮蛋白黏膠纖維和普通黏膠的紅外光譜圖基本一致。其中，3 430 cm-1處為纖維素羥基（—OH）的伸縮振動峰，而在睡蓮蛋白黏膠纖維中，該峰峰面變寬，說明睡蓮提取物中的酮類和酚類化合物與纖維素中的羥基發(fā)生了氫鍵作用。2 903 cm-1處為纖維素纖維中C—H的特征伸縮振動峰，1 321 cm-1處為C—H2面內(nèi)搖擺振動特征峰，896 cm-1處的振動峰與C1及其4個連接原子的振動有關(guān)[3-4]。

2.2.3 睡蓮蛋白黏膠纖維XRD分析

睡蓮蛋白黏膠纖維的X射線衍射曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，普通黏膠纖維與睡蓮蛋白黏膠纖維在2θ=12.1°、20.5°和22.5°是典型的纖維Ⅱ型特征峰。對圖4中纖維結(jié)晶度的XRD曲線進(jìn)行計算可得，普通黏膠纖維的結(jié)晶度為40.6%，而多功能黏膠纖維的結(jié)晶度為48.3%，略高于普通黏膠纖維的結(jié)晶度。這是由于植物功能性組分的添加增強(qiáng)了纖維素之間的交互，在一定程度上調(diào)整了纖維大分子的有序排列，使得纖維無定形區(qū)減少、結(jié)晶度提高[5]。

2.2.4 睡蓮蛋白黏膠纖維的力學(xué)性能

纖維力學(xué)性能是測試?yán)w維材料和使用加工性能的一項重要指標(biāo)。睡蓮蛋白黏膠纖維和普通黏膠纖維的力學(xué)性能測量指標(biāo)見表1。

表1 睡蓮蛋白黏膠纖維和普通黏膠纖維基本力學(xué)性能指標(biāo)

由表1可以看出，睡蓮蛋白黏膠纖維干強(qiáng)優(yōu)于濕強(qiáng)，與普通黏膠相比，干態(tài)斷裂強(qiáng)度增加，斷裂伸長率均有所下降，這是由于在黏膠紡絲液中加入睡蓮提取物和膠原蛋白后，增強(qiáng)了纖維素之間的交互作用，使睡蓮蛋白黏膠纖維的結(jié)晶度提高，干強(qiáng)增加。另外，由于無定形區(qū)的減少、纖維大分子之間的結(jié)合力較普通黏膠大，水分子進(jìn)入纖維后不易打開分子鏈的連結(jié)，使得濕態(tài)下的斷裂伸長率較普通黏膠纖維降低[6]。

2.2.5 睡蓮蛋白黏膠纖維的抗菌防菌性能

根據(jù)GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分：振蕩法》和GB/T 209144.2—2007《吸收法測試?yán)w維對肺炎克雷伯氏菌和痤瘡桿菌的抑制率》對睡蓮蛋白黏膠纖維的抗菌性能進(jìn)行測試，結(jié)果見表2。

表2 睡蓮蛋白黏膠纖維抗菌性能

由表2可以看出，睡蓮蛋白黏膠纖維對肺炎克雷伯氏菌和痤瘡桿菌都表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制活性，抑菌率分別達(dá)到90%和94%，這是由于睡蓮提取物的添加使得纖維具有較強(qiáng)的抑菌性能。

2.2.6 睡蓮蛋白黏膠纖維的蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)

采用凱氏定氮法測量普通黏膠纖維和睡蓮蛋白黏膠纖維中的蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如表3所示。睡蓮蛋白黏膠纖維中的蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.56%，符合紡織品蛋白纖維含量的要求。

表3 睡蓮蛋白黏膠纖維蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3 結(jié)語

（1）本試驗制備的睡蓮蛋白纖維橫截面呈鋸齒形，睡蓮提取物分布于纖維表層。睡蓮蛋白纖維與普通黏膠纖維相比，仍保持纖維素Ⅱ的結(jié)構(gòu)，纖維的干強(qiáng)增加、結(jié)晶度提高。

（2）睡蓮蛋白纖維對肺炎克雷伯氏菌和痤瘡桿菌的抑菌率分別為90%和94%，顯示了良好的抗菌功能。

（3）睡蓮蛋白纖維的蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.56%。

（4）睡蓮蛋白纖維可作為一種新型功能性纖維廣泛應(yīng)用于服裝、家裝及醫(yī)用紡織品，市場前景廣闊。