甲醇蛋白纤维的结构与性能研究

翟亚丽，高秀丽，夏泽龙，郑源兴

(1.河南工程学院 纺织学院，河南 郑州 450007；2.河南师范大学 化学与化工学院，河南 新乡453007)



甲醇蛋白纤维的结构与性能研究

翟亚丽1，高秀丽1，夏泽龙2，郑源兴1

(1.河南工程学院 纺织学院，河南 郑州 450007；2.河南师范大学 化学与化工学院，河南 新乡453007)

摘要：利用扫描电镜和电子单纤维强力仪等对甲醇蛋白纤维的结构和性能进行研究，得出以下结论：甲醇蛋白纤维的特征峰与黏胶相近，蛋白质含量较少；截面结构与黏胶接近；结晶度小于黏胶；湿态断裂强度是干态下的78.18%；结节拉伸断裂强度为直接拉伸状态下的77.45%，钩接拉伸断裂强度为直接拉伸状态下的54.18%；抱合力较差；耐热性能良好.

关键词：甲醇蛋白纤维；形态结构；结晶度；力学性能

甲醇蛋白是以甲醇为碳源生产的单细胞蛋白,以甲醇、氨、硫酸和磷酸等原料为培养基,通过微生物发酵在甲醇基体中生长并消耗甲醇,生长成许多单细胞菌体,成为菌体单细胞蛋白,简称SCP.甲醇蛋白的主要成分为粗蛋白、脂肪、赖氨酸、蛋氨酸、胱氨酸、矿物质和维生素，其中粗蛋白的质量分数在70%以上[1].甲醇蛋白纤维是将甲醇蛋白加入黏胶原液，利用湿法纺丝工艺制造的新型再生蛋白纤维.目前，对甲醇蛋白纤维的开发和研究尚处于起步阶段，本课题对甲醇蛋白纤维的结构和性能进行测试，以期为这一新型纤维的应用和推广提供依据.

1实验

1.1　原料

甲醇蛋白纤维(4.4 dtex×38.0 mm，河南能源化工集团义煤综能公司生产，蛋白质质量分数为15%),将试样在标准大气压条件下平衡24 h.

1.2　方法

1.2.1形貌结构扫描

将纤维纵向及横截面切片固定于试样台上,进行喷金处理,用捷克FEI公司的Quanta 250扫描电子显微镜观察并记录下其纵横向的形态结构，放大倍数为3 000.

1.2.2红外光谱测定

将粉末试样与溴化钾混合后压成透明的薄片,在美国Thermo Fisher公司的Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪上测得其红外吸收光谱图，扫描32次，分辨率为4 cm-1，波数为4 000～500 cm-1.

1.2.3结晶度测试

将试样剪成粉末，采用德国Bruker公司的D8 ADVANCE型X射线衍射仪测得纤维的射线衍射强度曲线，Cu靶，电压为40 kV，电流为200 mA，扫描范围为10～80 ℃.

1.2.4热性能测试

将试样剪成粉末，采用德国Netzsch公司的STA449 F3同步热分析仪，升温范围为从室温至600 ℃，升温速率为10 ℃/min，气流为高纯氮气.

1.2.5力学性能测试

用单纤维一次拉伸实验、单纤维结节及钩接强力实验来测试甲醇蛋白纤维的力学性能.

采用江苏宏大纺织仪器厂的YG001N+电子单纤维强力仪，拉伸速度为10 mm/min,预加张力为0.06 cN/dtex,隔距为10 mm,测试50次.

1.2.6表面摩擦性能测试

使用常州纺织仪器厂的Y151型纤维摩擦系数仪、1对100 mg张力钳和3种摩擦辊(纤维辊、金属辊、橡胶辊),回转速度为30 r/min.

2结果与分析

2.1　形貌结构

甲醇蛋白纤维的纵向和横截面形态见图1.

图1　甲醇蛋白纤维的形态结构Fig.1　Methanol protein fiber morphological structure

纤维的外观形态是纤维结构的重要方面，它不仅影响织物的风格，而且与舒适性密切相关.从图 1可以看出，甲醇蛋白纤维纵向平行顺直，表面不光滑，有深浅不一的沟槽，表面分散有蛋白颗粒，使纤维具有很好的亲肤性，并能不断释放出人体所需要的氨基酸；横截面为不规则的锯齿形，有白色蛋白质斑点，说明甲醇蛋白已经部分与纤维素均匀共混.

2.2　红外光谱

图2　甲醇蛋白纤维的红外光谱Fig.2　The infrared spectra of methanol protein fiber

2.3　结晶度

纤维的聚集态包括结晶和取向，这两种结构影响着纤维的物理机械性能、化学反应性能和染料助剂的可及度.采用广角X射线衍射法测定甲醇蛋白纤维的衍射曲线，结果见图3 .

图3　甲醇蛋白纤维的X射线衍射强度分布曲线Fig.3　X-ray diffraction intensity distribution curve of the methanol protein fiber

由图3可以看出，甲醇蛋白纤维是一种可以结晶的纤维，它具有明显的结晶峰，其主衍射峰衍射角度出现在2θ=21.16°处，次衍射峰出现在12.71°和80.53°处，这些都是纤维素的特征衍射峰，且纤维中的纤维素结构属于Ⅱ型结晶.将甲醇蛋白纤维的X 射线衍射强度分布曲线利用Peakfit 4.12软件和高斯—洛伦兹复合函数进行拟合分峰，再根据结晶区的面积和整个拟合区域面积的比值计算纤维的结晶度参数[3]，得出甲醇蛋白纤维的结晶度为33.97%，比普通黏胶纤维的结晶度37.45%略低.由此可见，甲醇蛋白质的加入干扰了纤维素大分子的取向和结晶，在一般情况下，结晶度随着蛋白质含量的增加而降低[4].

图4　甲醇蛋白纤维的TG曲线Fig.4　TG curve of methanol protein fiber

2.4　甲醇蛋白纤维的热学性能

甲醇蛋白纤维的热重(TG)曲线见图4.由图4可以看出，纤维在100 ℃左右时的失重速率为5%.这一阶段主要是随着温度的升高，纤维内部的水分逐渐蒸发，使得纤维的质量下降，当温度在70 ℃左右时，蒸发速率最快.之后蒸发速率逐渐降低，直至水分蒸发完毕，纤维质量基本不变，TG曲线趋于平衡.纤维热降解导致的失重均发生在280 ℃左右，这是由于纤维中的分子内发生脱水反应，部分分子链降解产生的小分子挥发导致的质量损失,在350 ℃左右时失重速率最大.350 ℃以后，失重速率相对变缓，这是由于纤维结构中的残余部分在进行分解.当温度达到500 ℃ 时，纤维的失重速率达到了76%.

一般的纺织纤维在染整和后续加工过程中可能遇到的最高温度为180～220 ℃，由以上分析可知，甲醇蛋白纤维具有良好的耐热性，能够满足常规的纺织和染整加工工艺.

2.5　力学性能分析

甲醇蛋白纤维的力学性能基本指标见表1.

表1　甲醇蛋白纤维的力学性能基本指标Tab.1　Methanol protein fiber mechanical properties of the basic indicators

由表1可知，甲醇蛋白干态和湿态的断裂强度、断裂伸长率和初始模量均较低，在纺纱过程中应注意减少机械打击和摩擦，并严格控制车间温度与湿度.结节拉伸断裂强度为直接拉伸断裂强度的77.45%,钩接拉伸断裂强度为直接拉伸断裂强度的54.18%.由此可见， 当结节拉伸或钩接拉伸时, 纤维的断裂强度损失均较为明显,钩接拉伸时断裂强度的损失更加明显； 结节和钩接拉伸的断裂伸长率均较直接拉伸状态下有所降低,分别为直接拉伸状态下的36.2%和9.45%,其中钩接时断裂伸长率的降低更为明显；结节和钩接断裂功均较普通夹持状态下有所降低,钩接拉伸断裂功较直接拉伸状态下的降低幅度更大.

2.6　表面摩擦性能

纤维的摩擦性能是一项重要的表面性能，它不仅直接影响产品的外观和手感，而且与整个纺纱加工的关系也很密切,这是因为纤维、纱线和织物在加工过程中会受到充分的摩擦.测试甲醇蛋白纤维分别与纤维辊、金属辊和橡胶辊接触时的静摩擦因数与动摩擦因数,结果见表2.

表2　甲醇蛋白纤维与不同材料接触时的摩擦性能

一般来说，纤维与纤维间的静摩擦因数较大时纤维间的抱合力较好、平滑性较差，在纺纱加工中对成纱强力有利.但静摩擦因数也不宜过大，否则易产生静电和绕机件现象.纤维之间静动摩擦因数的差值越大，说明纤维间的抱合性好、平滑性差；反之，差值小或为负值则说明纤维的平滑性好、抱合性差.

由表2可以看出，甲醇蛋白纤维与3种材料之间的静摩擦因数均大于动摩擦因数,并且与3种材料的摩擦因数均不相同，与金属辊和橡胶辊的摩擦因数均大于与纤维辊的摩擦因数,所以在纺纱过程中最好配置不同材料的导纱件来解决纤维纺纱中的问题.

3结论

(1)甲醇蛋白纤维的横截面呈不规则的锯齿形；纵向平行顺直，表面不光滑，具有深浅不一的沟槽.

(2)红外光谱吸收图显示甲醇蛋白纤维不但拥有纤维素纤维的主要官能团,而且还含有蛋白质酰胺Ⅰ的特征吸收峰.

(3)蛋白质大分子的加入增加了分子间的距离，甲醇蛋白纤维的结晶度小于黏胶.

(4)甲醇蛋白纤维具有良好的耐热性，能够满足常规的纺织和染整加工工艺的要求.

(5)甲醇蛋白纤维在干态和湿态下的断裂强度、断裂伸长率与初始模量都较低，在不同夹持方式下的拉伸断裂强度及断裂伸长率均较直接拉伸状态下有所降低.

(6)甲醇蛋白纤维与3种材料之间的静摩擦因数均大于动摩擦因数,但差异较小,这说明纤维之间的抱合性较差.

参考文献：

[1]李双娟.甲醇蛋白的生产及发展前景[J].中氮肥,2006(3): 4-6.

[2]蒋先明,何伟平.简明红外光谱识谱法[M].桂林:广西师范大学出版社，1992.

[3]FOMES T D,PAUL D R.Crystallization behavior of nylon 6 nanocomposites[J].Polymer，2003(44):3945-3961.

[4]姜岩,王宝东,章欧雁,等.大豆蛋白质纤维的结构研究(Ⅱ):聚集态结构[J].纺织学报,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

作者简介：翟亚丽(1966- )，女，河南永城人，教授,主要从事纺织新材料方面的研究.

收稿日期：2015-09-02

中图分类号：TS102.51

文献标志码：A

文章编号：1674-330X(2015)04-0001-04