牛奶蛋白纖維的結(jié)構(gòu)與性能

1、牛奶纖維的結(jié)構(gòu)與性能研究摘要：牛奶纖維是牛奶蛋白和聚乙烯醇共混紡絲形成的一種新型再生纖維，結(jié)構(gòu)分析顯示聚乙烯醇分子規(guī)則排列構(gòu)成結(jié)晶部分，牛奶蛋白形成無定形區(qū)。對牛奶纖維性能的測試和研究表明，牛奶纖維是集蠶絲和合成纖維的性能優(yōu)點于一身的優(yōu)良的紡織新材料。關(guān)鍵詞：牛奶纖維 加工 結(jié)構(gòu) 性能 中圖分類號：TS 182 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A1.前言牛奶纖維是將液狀牛奶去水、脫脂，制成牛奶蛋白質(zhì)，與聚乙烯醇共混，經(jīng)濕法紡絲而成12的再生纖維。牛奶纖維不僅具有合成纖維的強(qiáng)度高、收縮小、防霉、防蛀的品質(zhì)，又具有天然纖維的柔軟、親膚、吸濕、透氣、染色好、色牢度強(qiáng)等優(yōu)點，其光澤和導(dǎo)濕性也是其它合成纖維無法比擬的。用牛

2、奶纖維生產(chǎn)的紡織品尺寸穩(wěn)定性能良好，同時還具備易洗、快干等特點3。牛奶纖維是一種集天然纖維和合成纖維優(yōu)點于一身的優(yōu)良的紡織原料。2牛奶纖維加工由于牛奶中水占85以上，首先要除去多余的水分4，經(jīng)蒸發(fā)濃縮使其含水率為60%左右；然后經(jīng)脫脂、堿化等加工，制得無脂的乳濁液，并通過半透膜分離，將蛋白質(zhì)（酪素）收集起來后，再與聚乙烯醇進(jìn)行共混紡絲。牛奶纖維的加工工藝流程如下：圖1 牛奶纖維的加工工藝流程圖3材料與方法3.1 材料 1.40dtex×36.4mm牛奶纖維，由鄭州天羽蛋白纖維有限公司提供。3.2 方法纖維截面和表面形態(tài)用日立S-570掃描電子顯微鏡觀察；D/Max-3C型X射線衍射儀

3、測定牛奶纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，測試條件：Ni濾波，Cu靶K射線，管壓40kV，管流40mA，掃描速度2o/min，從5o到50o。用絞盤法測定了纖維的摩擦性能；用XQ-1纖維強(qiáng)伸度儀測定纖維的機(jī)械性能；用YG321型纖維比電阻儀測試?yán)w維比電阻5，三種測試均在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下完成。在20下進(jìn)行纖維吸濕性能的測定，測試前纖維放在恒溫恒濕的房間平衡24小時。4結(jié)果與討論4.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)牛奶纖維的橫截面及縱向表面形態(tài)用電子顯微鏡觀察如圖2（a）和2（b）所示。纖維橫截面呈扁平狀，啞鈴形或腰圓形，屬于異型纖維，并且在截面上有細(xì)小的微孔，這些細(xì)小微孔對纖維的吸濕、透濕性有很大的影響。從圖中觀察到纖維的縱向表面不光

4、滑，有不規(guī)則的溝槽和海島狀的凹凸，這些溝槽和凹凸是在紡絲過程中，由于纖維的表面脫水、取向較快形成的，它們的存在是纖維具有良好的導(dǎo)濕性、優(yōu)異的吸濕和放濕性能的主要原因，對纖維的光澤和剛度也有重要影響。纖維表面的不光滑和一些微細(xì)的突兀變化可以改變光的吸收、反射、折射和散射，從而影響纖維的光澤性，纖維表面粗糙時，具有柔和的光澤，而不會出現(xiàn)“極光”現(xiàn)象67。牛奶纖維具有一定的卷曲，外觀為微黃色，手感柔軟。 圖2（a） 牛奶纖維的橫截面結(jié)構(gòu) 圖2（b） 牛奶纖維的縱向結(jié)構(gòu)4.2 結(jié)晶結(jié)構(gòu)用廣角x一射線衍射儀記錄得到的牛奶纖維的衍射曲線如圖3所示。圖4為兩種聚乙烯醇纖維（PVA）的衍射曲線8。由圖3可知，

5、牛奶纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)存在著結(jié)晶無定型的兩相結(jié)構(gòu)，有明顯的結(jié)晶峰，進(jìn)一步比較圖3和圖4可知，牛奶纖維的衍射峰和PVA纖維的衍射峰完全一致，均出現(xiàn)在2為11.3o、16.4o、19.5o、22.6o、27.3o和32.5o處，沒有出現(xiàn)其它的衍射峰。特別是和高強(qiáng)高模PVA纖維相比，衍射曲線的形狀完全一致，由此可推測牛奶纖維可能是酪素（牛奶蛋白）和PVA的共混物，因為一般接枝共聚物的衍射強(qiáng)度曲線不會如此相似。圖3還說明了牛奶纖維的結(jié)晶區(qū)由PVA構(gòu)成，酪素存在于牛奶纖維的無定形區(qū)。這是因為牛奶纖維中，酪素的含量比較少，僅占30%左右，而且酪素是多種氨基酸以肽鍵相連的高分子蛋白質(zhì)，其氨基酸組成復(fù)雜、分散，

6、絕大部分具有較大的側(cè)基，因此不易結(jié)晶6。牛奶纖維的結(jié)晶度和晶粒尺寸用分峰法6計算后如表1所示。其結(jié)晶度和晶粒尺寸與聚乙烯醇纖維非常接近，結(jié)晶度低于蠶絲纖維。圖3 牛奶纖維的X衍射曲線 圖4 PVA纖維的X衍射曲線（A.水溶性維綸；B.高強(qiáng)高模維綸）8表1 牛奶纖維晶結(jié)構(gòu)參數(shù)纖維 結(jié)晶度/% 晶粒尺寸L100/nm牛奶纖維 70 4.54水溶性維綸8 73 4.52高強(qiáng)高模維綸8 77 4.57蠶絲絲素4 80 -4.2 牛奶纖維的吸濕性能由表1可以知道，牛奶纖維的無定形區(qū)要比蠶絲大，但標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，牛奶纖維的回潮率約為7.65%，略低于蠶絲的標(biāo)準(zhǔn)回潮率8-9%，但高于維倫纖維的5%，這是因為纖維

7、吸濕性是由纖維的微觀結(jié)構(gòu)和親水基團(tuán)共同決定的。水分子很難滲透到纖維結(jié)晶部分的內(nèi)部，但結(jié)晶表面對吸濕是起作用的，蠶絲結(jié)晶部分仍是親水性較大的肽鏈分子，而牛奶纖維則是親水性稍差的聚乙烯醇縮甲醛。20時，牛奶纖維的吸濕等溫線如圖5所示，曲線呈反S形，遵守常規(guī)纖維的吸濕機(jī)理。圖6是牛奶纖維在溫度為20，相對濕度60%時的吸濕滯后性曲線。對比維綸的吸濕性能，可以發(fā)現(xiàn)，牛奶纖維無定形區(qū)的蛋白質(zhì)肽鏈分子對其良好的吸濕性起主要作用，也進(jìn)一步證明了對牛奶纖維的結(jié)構(gòu)組成的分析是正確的。4.3 牛奶纖維的機(jī)械性能 牛奶纖維的拉伸曲線有明顯的虎克區(qū)、屈服區(qū)和增強(qiáng)區(qū)（如圖7），其拉伸表現(xiàn)出特有的行為，即初始模量很高；至

8、應(yīng)變?yōu)?%左右時，發(fā)生屈服，拉伸曲線發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折；屈服后，應(yīng)力緩慢增大。屈服點以前的高模量是由聚乙烯醇結(jié)晶部分貢獻(xiàn)的，在屈服點附近，由于拉伸導(dǎo)致某些構(gòu)象的轉(zhuǎn)變以及鏈段的伸展，過屈服點后模量開始下降。結(jié)合牛奶纖維的結(jié)構(gòu)可知，聚乙烯醇結(jié)晶部分占主體，對纖維的力學(xué)性能起主要作用，因而纖維的拉伸曲線形狀和聚乙烯醇纖維有相似之處。從牛奶纖維干態(tài)和濕態(tài)性能對比可以看出（表2），牛奶纖維的干態(tài)強(qiáng)力比濕態(tài)強(qiáng)力大，這說明牛奶蛋白纖維的含水率對其機(jī)械性能有一定的影響。但從表中數(shù)據(jù)可以看出，濕態(tài)下牛奶纖維的強(qiáng)力及伸長的變化比蠶絲小。由此可得出結(jié)論，牛奶纖維含水的多少對其機(jī)械性能影響不是很顯著，因此，在紡紗過程中，

9、可以采用加濕的方法去除靜電。表2所示為牛奶纖維與其它常見纖維的力學(xué)性能比較。圖5牛奶纖維吸濕等溫線（測試溫度20）圖6 牛奶纖維的吸濕滯后曲線（測試條件：溫度20，相對濕度60%）圖7 牛奶纖維的拉伸曲線表2 牛奶纖維與其它常見纖維的力學(xué)性能對比品種斷裂強(qiáng)度（Cn/dtec）斷裂伸長率（%）密度回潮率干態(tài)濕態(tài)干態(tài)濕態(tài)（g/cm³）RH=65%牛奶5.333.815.414.41.407.65大豆17.619.461.2755.32棉3-71.547-8毛25-3525-501.3215-17家蠶15-2527-339滌綸35-5035-501.38維綸2.84.612-2612-26

10、腈綸2.83-4.4212-2012-201.2-24.4 牛奶纖維的摩擦性能纖維的摩擦性質(zhì)是纖維最重要的一項表面性質(zhì)，不但影響到纖維的抱合和成紗，磨損和變形，還影響到成品的手感風(fēng)格。由表3可知，牛奶蛋白纖維的摩擦系數(shù)較高，纖維間的抱合力好，因此，在采用機(jī)械方法加工時，可以不必進(jìn)行卷曲加工。而且纖維成紗后，其強(qiáng)力較高，有利于紡紗加工。很顯然牛奶纖維摩擦性質(zhì)與其特有的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，非圓形的橫截面和縱向表面的溝槽對纖維的摩擦性質(zhì)起決定性作用。表4對比了牛奶纖維與一些常見纖維的摩擦性質(zhì)。4.5 牛奶纖維電學(xué)性能牛奶蛋白纖維的比電阻與天然纖維相比偏高，較大多數(shù)合成纖維來說偏低（表5）。因而牛奶蛋白

11、纖維在紡紗加工過程中靜電現(xiàn)象還是比較嚴(yán)重，須加適當(dāng)?shù)挠蛣┖涂轨o電劑。表3 牛奶纖維的摩擦性質(zhì)摩擦系數(shù)與瓷輥與鋼棍纖維平行動摩擦系數(shù)0.2670.2700.386靜摩擦系數(shù)0.2990.3000.441表4 牛奶纖維與其它常見纖維摩擦性質(zhì)對比纖維纖維平行與瓷輥與鋼棍牛奶0.4410.2990.300蠶絲0.520-粘膠0.4300.4300.390棉0.2200.3200.290錦綸0.4700.4300.320纖維種類質(zhì)量比電阻 ·g/cm2牛奶纖維（20，RH=0%）3×109牛奶纖維（20，RH=3.65%）1.8×109棉106107麻107108羊毛108

12、109蠶絲1091010粘膠107錦綸，滌綸（去油）10131014晴綸（去油）10131014表5 牛奶纖維與其它常見纖維質(zhì)量比電阻比較5結(jié)論牛奶纖維是牛奶蛋白和聚乙烯醇共混紡絲形成的一種新型再生纖維，電子顯微鏡觀察表明，纖維橫截面呈扁平狀，啞鈴形或腰圓形，在截面上有細(xì)小的微孔，纖維的縱向表面有不規(guī)則的溝槽和海島狀的凹凸,這使纖維具有良好的導(dǎo)濕性、優(yōu)異的吸濕和放濕性能；X衍射的測試表明牛奶纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)與聚乙烯醇纖維相似，其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)由兩部分組成，聚乙烯醇為主體的結(jié)晶部分和牛奶蛋白為主體的無定形部分；吸濕性能和力學(xué)性能的測試表明，這種特殊的結(jié)構(gòu)使牛奶纖維克服了合成纖維吸濕性差和天然纖維強(qiáng)度低

13、的不足，其比電阻也介于天然纖維和合成纖維之間；牛奶蛋白纖維的非圓形橫截面和縱向表面的溝槽使其具有較高的摩擦系數(shù)，纖維間的抱合力好，有利于成紗加工。參考文獻(xiàn)1 楊旭紅.牛奶纖維chinon的性能與特征J.絲綢,1999,(11):39-42.2 楊建慧.牛奶纖維21世紀(jì)的生態(tài)纖維材料J.四川絲綢,2001,89(4):41-42.3 薛允連.牛奶纖維J.陜西紡織，1999，42（2）：48-49. 4 蘇壽南,章潭莉,胡學(xué)超,沈弋弋.牛奶纖維的新崛起J.合成技術(shù)及應(yīng)用,1999,14(4):23-24.5 趙書經(jīng).紡織材料試驗教程M.北京：中國紡織出版社，1989,6.6 王衛(wèi)華，陸維民，董建華

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