翟亞麗，高秀麗，夏澤龍，鄭源興

(1.河南工程學(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.河南師范大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453007)

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甲醇蛋白纖維的結(jié)構(gòu)與性能研究

翟亞麗1，高秀麗1，夏澤龍2，鄭源興1

(1.河南工程學(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.河南師范大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453007)

摘要：利用掃描電鏡和電子單纖維強力儀等對甲醇蛋白纖維的結(jié)構(gòu)和性能進行研究，得出以下結(jié)論：甲醇蛋白纖維的特征峰與黏膠相近，蛋白質(zhì)含量較少；截面結(jié)構(gòu)與黏膠接近；結(jié)晶度小于黏膠；濕態(tài)斷裂強度是干態(tài)下的78.18%；結(jié)節(jié)拉伸斷裂強度為直接拉伸狀態(tài)下的77.45%，鉤接拉伸斷裂強度為直接拉伸狀態(tài)下的54.18%；抱合力較差；耐熱性能良好.

關(guān)鍵詞：甲醇蛋白纖維；形態(tài)結(jié)構(gòu)；結(jié)晶度；力學(xué)性能

甲醇蛋白是以甲醇為碳源生產(chǎn)的單細胞蛋白,以甲醇、氨、硫酸和磷酸等原料為培養(yǎng)基,通過微生物發(fā)酵在甲醇基體中生長并消耗甲醇,生長成許多單細胞菌體,成為菌體單細胞蛋白,簡稱SCP.甲醇蛋白的主要成分為粗蛋白、脂肪、賴氨酸、蛋氨酸、胱氨酸、礦物質(zhì)和維生素，其中粗蛋白的質(zhì)量分數(shù)在70%以上[1].甲醇蛋白纖維是將甲醇蛋白加入黏膠原液，利用濕法紡絲工藝制造的新型再生蛋白纖維.目前，對甲醇蛋白纖維的開發(fā)和研究尚處于起步階段，本課題對甲醇蛋白纖維的結(jié)構(gòu)和性能進行測試，以期為這一新型纖維的應(yīng)用和推廣提供依據(jù).

1實驗

1.1　原料

甲醇蛋白纖維(4.4 dtex×38.0 mm，河南能源化工集團義煤綜能公司生產(chǎn)，蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為15%),將試樣在標準大氣壓條件下平衡24 h.

1.2　方法

1.2.1形貌結(jié)構(gòu)掃描

將纖維縱向及橫截面切片固定于試樣臺上,進行噴金處理,用捷克FEI公司的Quanta 250掃描電子顯微鏡觀察并記錄下其縱橫向的形態(tài)結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)為3 000.

1.2.2紅外光譜測定

將粉末試樣與溴化鉀混合后壓成透明的薄片,在美國Thermo Fisher公司的Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜儀上測得其紅外吸收光譜圖，掃描32次，分辨率為4 cm-1，波數(shù)為4 000～500 cm-1.

1.2.3結(jié)晶度測試

將試樣剪成粉末，采用德國Bruker公司的D8 ADVANCE型X射線衍射儀測得纖維的射線衍射強度曲線，Cu靶，電壓為40 kV，電流為200 mA，掃描范圍為10～80 ℃.

1.2.4熱性能測試

將試樣剪成粉末，采用德國Netzsch公司的STA449 F3同步熱分析儀，升溫范圍為從室溫至600 ℃，升溫速率為10 ℃/min，氣流為高純氮氣.

1.2.5力學(xué)性能測試

用單纖維一次拉伸實驗、單纖維結(jié)節(jié)及鉤接強力實驗來測試甲醇蛋白纖維的力學(xué)性能.

采用江蘇宏大紡織儀器廠的YG001N+電子單纖維強力儀，拉伸速度為10 mm/min,預(yù)加張力為0.06 cN/dtex,隔距為10 mm,測試50次.

1.2.6表面摩擦性能測試

使用常州紡織儀器廠的Y151型纖維摩擦系數(shù)儀、1對100 mg張力鉗和3種摩擦輥(纖維輥、金屬輥、橡膠輥),回轉(zhuǎn)速度為30 r/min.

2結(jié)果與分析

2.1　形貌結(jié)構(gòu)

甲醇蛋白纖維的縱向和橫截面形態(tài)見圖1.

圖1　甲醇蛋白纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.1　Methanol protein fiber morphological structure

纖維的外觀形態(tài)是纖維結(jié)構(gòu)的重要方面，它不僅影響織物的風(fēng)格，而且與舒適性密切相關(guān).從圖 1可以看出，甲醇蛋白纖維縱向平行順直，表面不光滑，有深淺不一的溝槽，表面分散有蛋白顆粒，使纖維具有很好的親膚性，并能不斷釋放出人體所需要的氨基酸；橫截面為不規(guī)則的鋸齒形，有白色蛋白質(zhì)斑點，說明甲醇蛋白已經(jīng)部分與纖維素均勻共混.

2.2　紅外光譜

圖2　甲醇蛋白纖維的紅外光譜Fig.2　The infrared spectra of methanol protein fiber

2.3　結(jié)晶度

纖維的聚集態(tài)包括結(jié)晶和取向，這兩種結(jié)構(gòu)影響著纖維的物理機械性能、化學(xué)反應(yīng)性能和染料助劑的可及度.采用廣角X射線衍射法測定甲醇蛋白纖維的衍射曲線，結(jié)果見圖3 .

圖3　甲醇蛋白纖維的X射線衍射強度分布曲線Fig.3　X-ray diffraction intensity distribution curve of the methanol protein fiber

由圖3可以看出，甲醇蛋白纖維是一種可以結(jié)晶的纖維，它具有明顯的結(jié)晶峰，其主衍射峰衍射角度出現(xiàn)在2θ=21.16°處，次衍射峰出現(xiàn)在12.71°和80.53°處，這些都是纖維素的特征衍射峰，且纖維中的纖維素結(jié)構(gòu)屬于Ⅱ型結(jié)晶.將甲醇蛋白纖維的X 射線衍射強度分布曲線利用Peakfit 4.12軟件和高斯—洛倫茲復(fù)合函數(shù)進行擬合分峰，再根據(jù)結(jié)晶區(qū)的面積和整個擬合區(qū)域面積的比值計算纖維的結(jié)晶度參數(shù)[3]，得出甲醇蛋白纖維的結(jié)晶度為33.97%，比普通黏膠纖維的結(jié)晶度37.45%略低.由此可見，甲醇蛋白質(zhì)的加入干擾了纖維素大分子的取向和結(jié)晶，在一般情況下，結(jié)晶度隨著蛋白質(zhì)含量的增加而降低[4].

圖4　甲醇蛋白纖維的TG曲線Fig.4　TG curve of methanol protein fiber

2.4　甲醇蛋白纖維的熱學(xué)性能

甲醇蛋白纖維的熱重(TG)曲線見圖4.由圖4可以看出，纖維在100 ℃左右時的失重速率為5%.這一階段主要是隨著溫度的升高，纖維內(nèi)部的水分逐漸蒸發(fā)，使得纖維的質(zhì)量下降，當(dāng)溫度在70 ℃左右時，蒸發(fā)速率最快.之后蒸發(fā)速率逐漸降低，直至水分蒸發(fā)完畢，纖維質(zhì)量基本不變，TG曲線趨于平衡.纖維熱降解導(dǎo)致的失重均發(fā)生在280 ℃左右，這是由于纖維中的分子內(nèi)發(fā)生脫水反應(yīng)，部分分子鏈降解產(chǎn)生的小分子揮發(fā)導(dǎo)致的質(zhì)量損失,在350 ℃左右時失重速率最大.350 ℃以后，失重速率相對變緩，這是由于纖維結(jié)構(gòu)中的殘余部分在進行分解.當(dāng)溫度達到500 ℃ 時，纖維的失重速率達到了76%.

一般的紡織纖維在染整和后續(xù)加工過程中可能遇到的最高溫度為180～220 ℃，由以上分析可知，甲醇蛋白纖維具有良好的耐熱性，能夠滿足常規(guī)的紡織和染整加工工藝.

2.5　力學(xué)性能分析

甲醇蛋白纖維的力學(xué)性能基本指標見表1.

表1　甲醇蛋白纖維的力學(xué)性能基本指標Tab.1　Methanol protein fiber mechanical properties of the basic indicators

由表1可知，甲醇蛋白干態(tài)和濕態(tài)的斷裂強度、斷裂伸長率和初始模量均較低，在紡紗過程中應(yīng)注意減少機械打擊和摩擦，并嚴格控制車間溫度與濕度.結(jié)節(jié)拉伸斷裂強度為直接拉伸斷裂強度的77.45%,鉤接拉伸斷裂強度為直接拉伸斷裂強度的54.18%.由此可見， 當(dāng)結(jié)節(jié)拉伸或鉤接拉伸時, 纖維的斷裂強度損失均較為明顯,鉤接拉伸時斷裂強度的損失更加明顯； 結(jié)節(jié)和鉤接拉伸的斷裂伸長率均較直接拉伸狀態(tài)下有所降低,分別為直接拉伸狀態(tài)下的36.2%和9.45%,其中鉤接時斷裂伸長率的降低更為明顯；結(jié)節(jié)和鉤接斷裂功均較普通夾持狀態(tài)下有所降低,鉤接拉伸斷裂功較直接拉伸狀態(tài)下的降低幅度更大.

2.6　表面摩擦性能

纖維的摩擦性能是一項重要的表面性能，它不僅直接影響產(chǎn)品的外觀和手感，而且與整個紡紗加工的關(guān)系也很密切,這是因為纖維、紗線和織物在加工過程中會受到充分的摩擦.測試甲醇蛋白纖維分別與纖維輥、金屬輥和橡膠輥接觸時的靜摩擦因數(shù)與動摩擦因數(shù),結(jié)果見表2.

表2　甲醇蛋白纖維與不同材料接觸時的摩擦性能

一般來說，纖維與纖維間的靜摩擦因數(shù)較大時纖維間的抱合力較好、平滑性較差，在紡紗加工中對成紗強力有利.但靜摩擦因數(shù)也不宜過大，否則易產(chǎn)生靜電和繞機件現(xiàn)象.纖維之間靜動摩擦因數(shù)的差值越大，說明纖維間的抱合性好、平滑性差；反之，差值小或為負值則說明纖維的平滑性好、抱合性差.

由表2可以看出，甲醇蛋白纖維與3種材料之間的靜摩擦因數(shù)均大于動摩擦因數(shù),并且與3種材料的摩擦因數(shù)均不相同，與金屬輥和橡膠輥的摩擦因數(shù)均大于與纖維輥的摩擦因數(shù),所以在紡紗過程中最好配置不同材料的導(dǎo)紗件來解決纖維紡紗中的問題.

3結(jié)論

(1)甲醇蛋白纖維的橫截面呈不規(guī)則的鋸齒形；縱向平行順直，表面不光滑，具有深淺不一的溝槽.

(2)紅外光譜吸收圖顯示甲醇蛋白纖維不但擁有纖維素纖維的主要官能團,而且還含有蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ的特征吸收峰.

(3)蛋白質(zhì)大分子的加入增加了分子間的距離，甲醇蛋白纖維的結(jié)晶度小于黏膠.

(4)甲醇蛋白纖維具有良好的耐熱性，能夠滿足常規(guī)的紡織和染整加工工藝的要求.

(5)甲醇蛋白纖維在干態(tài)和濕態(tài)下的斷裂強度、斷裂伸長率與初始模量都較低，在不同夾持方式下的拉伸斷裂強度及斷裂伸長率均較直接拉伸狀態(tài)下有所降低.

(6)甲醇蛋白纖維與3種材料之間的靜摩擦因數(shù)均大于動摩擦因數(shù),但差異較小,這說明纖維之間的抱合性較差.

參考文獻：

[1]李雙娟.甲醇蛋白的生產(chǎn)及發(fā)展前景[J].中氮肥,2006(3): 4-6.

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[4]姜巖,王寶東,章歐雁,等.大豆蛋白質(zhì)纖維的結(jié)構(gòu)研究(Ⅱ):聚集態(tài)結(jié)構(gòu)[J].紡織學(xué)報,2005(1): 30-32.

Research on the structure and property of methanol protein fiber

ZHAI Yali1, GAO Xiuli1, XIA Zelong2, ZHENG Yuanxing1

(1.CollegeofTextiles,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou450007,China；

2.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,HenanNormalUniversity,Xinxiang453007,China)

Abstract:The structure and performance of methanol protein fiber are researched and analyzed by using scanning electron microscopy(SEM) and electronic single-fibre tensile tester. The following conclusions were achieved: methanol protein fiber has similar characteristic peak to viscose, it has less protein, and close cross-section structure to viscose; it has less crystallinity degree than viscose, its wet breaking tenacity is 78.18 percent of that of dry state; nodule tensile fracture tenacity is 77.45 percent of that in direct case, and hook tensile fracture tenacity is 54.18 percent of that of the direct ones; it has less cohesion, and good heat resistance.

Key words:methanol protein fiber; morphological structure; crystallinity degree; mechanical properties

作者簡介：翟亞麗(1966- )，女，河南永城人，教授,主要從事紡織新材料方面的研究.

收稿日期：2015-09-02

中圖分類號：TS102.51

文獻標志碼：A

文章編號：1674-330X(2015)04-0001-04