趙學(xué)玉，丁莉燕，趙 娜，邢明杰

(青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東青島 266071)

蠶蛹蛋白粘膠纖維性能分析

趙學(xué)玉，丁莉燕，趙 娜，邢明杰

(青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東青島 266071)

對(duì)蠶蛹蛋白粘膠纖維的纖維結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能進(jìn)行分析，并研究了蠶蛹蛋白的吸濕性能。結(jié)果表明，蠶蛹蛋白粘膠纖維斷裂強(qiáng)度較同類纖維大，平均斷裂強(qiáng)度達(dá)2.797cN/dtex，同時(shí)有較高的初始模量和吸濕性，非常適合用來(lái)開發(fā)高檔織物。

蠶蛹蛋白纖維 結(jié)構(gòu) 性能 測(cè)試

“圣?！毙Q蛹蛋白纖維是綜合利用了高分子技術(shù)、生物工程技術(shù)和化纖紡絲技術(shù)，通過(guò)將蠶蛹蛋白與天然纖維素共混制成綠色環(huán)保新型生物質(zhì)纖維。它含有從蠶蛹中萃煉提取的優(yōu)質(zhì)蛋白PC，這是一種由18種不同種類的氨基酸組成的高分子蛋白化合物，其中包含的色氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸等都是對(duì)人體皮膚十分有益的蛋白質(zhì)，不僅可以消除人體疲勞、幫助恢復(fù)肌膚活力、延緩肌膚衰老。同時(shí)能夠抵御紫外線侵害，手感滑爽如真絲、柔軟似羊絨[1]。

本文對(duì)蠶蛹蛋白粘膠纖維的結(jié)構(gòu)、力學(xué)、電學(xué)等基本性能進(jìn)行測(cè)試分析，以此為后續(xù)蠶蛹蛋白粘膠纖維紗線的開發(fā)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

蠶蛹蛋白粘膠纖維：宜賓惠美提供，纖維1.3dtex×38mm。

Y172型纖維切片器、光學(xué)顯微鏡、 LLY-06E 型電子式纖維強(qiáng)力儀、JSM-840 掃描電子顯微鏡、Nicolet 5700 智能傅立葉紅外光譜儀[2-3]。

2 蠶蛹蛋白粘膠纖維測(cè)試方法

2.1 纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察

采用Y172 型纖維切片器制纖維橫截面片，并使用JSM-840 掃描電子顯微鏡觀察纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)。

2.2 纖維紅外光譜分析

Nicolet 5700 智能傅立葉紅外光譜儀。

2.3 纖維的吸濕性

實(shí)驗(yàn)儀器： YG(B)751D 型數(shù)字恒溫恒濕箱、101-2 型干燥箱、 FA2004B 電子天平。

實(shí)驗(yàn)方法：吸濕試驗(yàn)時(shí)，取約 1 g 的蠶蛹蛋白粘膠纖維試樣放入溫度為105℃的101-2 型干燥箱內(nèi)預(yù)烘 2小時(shí)后，將纖維放入干燥皿中冷卻至室溫(標(biāo)準(zhǔn)條件溫度 20±1℃)后，取出纖維立刻測(cè)量其重量，并定為干重。將冷卻好的纖維放入溫度為 20±1℃，相對(duì)濕度為65%的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)條件下的 YG(B)751D 型數(shù)字恒溫恒濕箱內(nèi)進(jìn)行充分的吸濕，每間隔一定時(shí)間記錄1次纖維的重量，直到纖維重量變化范圍小達(dá)到吸濕平衡，計(jì)算纖維的回潮率，由此得到纖維的吸濕曲線。

纖維回潮率計(jì)算公式為：

(式中：Ga為纖維的濕重，Go為纖維的干重)

在放濕試驗(yàn)時(shí)，取1 g左右的蠶蛹蛋白纖維試樣放入YG501D 型透濕試驗(yàn)箱中，使試樣在相對(duì)濕度為100%的環(huán)境內(nèi)放置48小時(shí)，使纖維充分吸濕，然后在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測(cè)試試樣放濕過(guò)程中的重量變化，方法同上。當(dāng)試樣達(dá)到放濕平衡后，將樣品烘干并冷卻，稱取試樣干重后計(jì)算纖維的回潮率。蠶蛹蛋白粘膠纖維的吸、放濕曲線如圖2所示。

2.4 纖維的力學(xué)性能

采用LLY-06E 型電子式纖維強(qiáng)力儀進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)方法：首先將纖維放置于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下平衡 24 小時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下利用LLY-06E 型電子式強(qiáng)力儀對(duì)蠶蛹蛋白粘膠單根纖維進(jìn)行30組的強(qiáng)伸性能測(cè)試。蠶蛹蛋白粘膠纖維拉伸性能指標(biāo)見下頁(yè)表1。

2.5 纖維的電學(xué)性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)儀器：YG321型纖維比電阻儀、FA2004B 電子天平。

實(shí)驗(yàn)方法：將50g纖維在標(biāo)準(zhǔn)大氣下平衡4小時(shí)以上，用天平稱取3分試樣，每份試樣重15g。將其放入調(diào)節(jié)后的纖維比電阻儀。為了減少誤差選用50V檔，測(cè)得的電阻值要縮小一半。

式中：R為測(cè)得纖維的平均電阻值(Ω)；m為纖維質(zhì)量(15g)；L為兩極板之間的距離(2cm)。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 蠶蛹蛋白纖維外觀形態(tài)

(a)纖維縱截面

(b)纖維橫截面

由單根纖維的縱橫向掃描電鏡圖片可以看到蠶蛹蛋白粘膠纖維表面有許多溝槽存在，其大小寬度深度等都各不相同，橫截面形狀也各有特點(diǎn)，最主要的有扁圓、橢圓、圓形等等。這種結(jié)構(gòu)不僅增加纖維的比表面積，也會(huì)提高紡紗過(guò)程中纖維之間的抱合力，從而提高紗線的強(qiáng)力。同時(shí)可以提高纖維的上染率和光澤。

3.2 纖維的吸濕性

纖維吸濕不僅會(huì)對(duì)纖維的重量、密度和體積產(chǎn)生一定的影響，而且對(duì)纖維力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性能、熱學(xué)性能以及光學(xué)性能均產(chǎn)生一定的影響。纖維吸濕后，纖維的脆性和硬度會(huì)有所減弱，纖維的塑性變形也會(huì)增加，摩擦系數(shù)會(huì)增大。纖維適當(dāng)?shù)奈鼭裥杂欣诩徏?，但過(guò)分吸濕也會(huì)導(dǎo)致棉結(jié)的產(chǎn)生[4-5]。因此研究纖維的吸濕性有利于發(fā)揮其吸濕后的優(yōu)勢(shì)，克服吸濕缺陷，獲得更理想的實(shí)驗(yàn)材料，同時(shí)可以指導(dǎo)加工工藝的選擇。

圖2 蠶蛹蛋白粘膠纖維吸放濕曲線

由實(shí)驗(yàn)可知，蠶蛹蛋白粘膠纖維的吸濕回潮率為7.37%，放濕回潮率為8.12%，兩者均小于普通粘膠纖維的吸濕和放濕回潮率。在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，蠶蛹蛋白粘膠纖維的吸濕滯后值約為0.75%，該數(shù)值小于棉纖維(0.9%)以及粘膠纖維(1.8%～2.0%)的吸濕滯后值。纖維的吸濕滯后值小，可知蠶蛹蛋白纖維保水性差；纖維吸水后，存儲(chǔ)在內(nèi)部空隙中的部分水分會(huì)散發(fā)出來(lái)。因此可以用作吸濕速干產(chǎn)品。

3.3 紅外光譜分析

當(dāng)紅外線穿過(guò)纖維試樣的時(shí)候，由于纖維中的分子對(duì)紅外線的吸收具有選擇性，在原來(lái)的連續(xù)譜帶上某些波長(zhǎng)的紅外線強(qiáng)度發(fā)生變化，得到紅外光譜圖。根據(jù)吸收峰的位置和強(qiáng)度，可以判斷分子中的鍵或基團(tuán)。蠶蛹蛋白粘膠纖維的紅外光譜圖如圖3所示。

圖3 蠶蛹蛋白粘膠纖維紅外光譜圖

由光譜圖可知，在波長(zhǎng)3300 cm-1附近出現(xiàn)了寬而強(qiáng)的吸收峰，這是-OH 的伸縮振動(dòng)，在指紋區(qū)附近出現(xiàn)的一個(gè)吸收峰，是 C-O 的伸縮振動(dòng)。纖維在波長(zhǎng)為3300 cm-1和 1018 cm-1附近出現(xiàn)吸收峰，可見，纖維有-OH 和 C-O 基團(tuán)。進(jìn)一步證明了蠶蛹蛋白纖維的吸濕性能好。

3.4 纖維的力學(xué)性能

纖維在紡織加工和使用中都會(huì)受到外力的作用而產(chǎn)生變形，甚至被磨損或拉斷。因此纖維能否承受各種外力作用是檢驗(yàn)纖維品質(zhì)的重要內(nèi)容。纖維的力學(xué)性能直接關(guān)系到纖維的紡織加工性能和紡織品的質(zhì)量。

表1 蠶蛹蛋白粘膠纖維的力學(xué)性能

通過(guò)將蠶蛹蛋白粘膠纖維與普通的粘膠纖維的力學(xué)性能對(duì)比分析可得，蠶蛹蛋白纖維能承受的最大拉伸力要小于粘膠纖維所能承受的最大拉伸力。對(duì)于抵抗外界破壞能力，蠶蛹蛋白纖維要優(yōu)于粘膠纖維。纖維斷裂時(shí)蠶蛹蛋白纖維的伸長(zhǎng)變形要小于粘膠纖維，而蠶蛹蛋白纖維的初始模量要大于粘膠纖維，因此用蠶蛹蛋白纖維制成的織物要比用粘膠纖維更為挺括，更適合用于較為高檔的服飾。

3.5 纖維的電學(xué)性質(zhì)

比電阻是表示纖維導(dǎo)電性能的指標(biāo)之一[5]，纖維的比電阻大，其導(dǎo)電性差，在加工以及使用的過(guò)程中纖維更容易積聚靜電。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維的比電阻大于109Ω·g/cm2時(shí)，靜電現(xiàn)象就很明顯。

經(jīng)測(cè)試可得纖維質(zhì)量比電阻為3.11×108Ω·g/cm2。由此可見，該纖維質(zhì)量比電阻要大于粘膠纖維的質(zhì)量比電阻107Ω·g/cm2，因此在紡紗過(guò)程中產(chǎn)生靜電現(xiàn)象要比粘膠纖維少。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)性能測(cè)試分析可知，蠶蛹蛋白粘膠纖維表面布滿深淺不一的溝槽，具有優(yōu)良的吸濕性和電學(xué)性質(zhì)。蠶蛹蛋白纖維的可紡性好，在使用過(guò)程中，可以純紡也可以與棉、毛、麻、滌綸等纖維進(jìn)行混紡制成混紡紗，根據(jù)不同的需求紡制的紗線支數(shù)可以從30S到120S等不同規(guī)格的紗線，可以用來(lái)制作高檔服裝面料、內(nèi)衣、織物、T恤、床上用品及高檔裝飾用品等。蠶蛹蛋白粘膠纖維及其紗線制成的織物，不僅滿足人們對(duì)不同服裝的需求而且與服裝未來(lái)流行趨勢(shì)發(fā)展方向一致，非常值得我們進(jìn)行推廣使用。

[1] 劉慧娟,王琳,申鼎. 蠶蛹蛋白纖維性能研究[J]. 印染助劑,2012(9):12-14.

[2]黃碩. 蠶蛹蛋白粘膠纖維的定性和定量方法研究[D].上海：東華大學(xué),2016.

[3]楊莉,畢松梅. 兩種蛋白質(zhì)改性纖維素纖維的結(jié)構(gòu)分析[J]. 棉紡織技術(shù),2014(12):13-15+64.

[4]白莉紅,劉慧娟. 幾種環(huán)保型纖維混紡紗的芯吸與吸放濕性能[J]. 紡織學(xué)報(bào),2013(9):34-38.

[5]于偉東.紡織材料學(xué)[M].北京:中國(guó)紡織出版社,2006.

PerformanceAnalysisofSilkwormPupaProteinViscoseFiber

ZHAOXue-yu,DINGLI-yan,ZHAONa,XINGMing-jie

(Qingdao University, Qingdao 266071)

The fiber structure and mechanical properties of silkworm pupa protein viscose fiber were analyzed and hygroscopic property of silkworm pupa protein was studied. The results showed that the breaking strength of silkworm pupa protein viscose fiber was larger than that of the same fiber and the average breaking strength was 2.797cN/dtex; it had higher initial modulus and hygroscopicity, which was quite suitable for the development of high grade fabric.

silkworm pupa protein fiber structure performance test

2017-07-06

趙學(xué)玉(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織新材料、新技術(shù)、新工藝。

邢明杰(1964-)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。

TS102.51+1.1

A

1008-5580(2017)04-0102-04