羊毛角蛋白溶液在毛織物定型中的應用

孫艷麗，姚金波，2，李 博，賈書剛

(1.天津工業大學紡織學院，天津 300387;2.天津工業大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387)

廢棄羊毛中有豐富的角蛋白資源，角蛋白質大分子結構中含有大量的羧基、氨基、羥基等親水基團，具有良好的生物親和性、無毒及親膚等優異的性能［1－2］。近年來，由羊毛制取角蛋白溶液并以其為主要成分應用于紡織品整理加工的研究，已引起人們的關注［3－5］。使用天然高分子整理劑代替傳統的合成整理劑，符合紡織品綠色、生態、環保的要求，不僅可改善織物的性能，而且可得到對人體有更好親膚性的紡織品［6－7］。本文研究以廢棄的羊毛作為原料，通過還原劑與金屬鹽聯合法得到羊毛角蛋白溶液，并將其應用于毛織物的定型整理加工中，以改善毛織物的性能。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及設備

材料:60支羊毛毛條;羊毛織物，平紋，經緯紗線密度均為12.5 tex×2，經緯向密度為283根/10 cm×253根/10 cm;還原劑LKS-610(天津聯寬生物制劑有限公司)，亞硫酸氫鈉(天津市化學試劑三廠)，溴化鋰(天津市博迪化工有限公司)。

設備:恒溫振蕩水浴鍋(哈爾濱市東聯電子技術開發有限公司)，恒溫數顯水浴鍋(上海梅香儀器有限公司)，電熱鼓風烘干箱(天津中環實驗電爐有限公司)，YG065型電子織物強力儀(萊州市電子儀器有限公司)，全自動縮水率實驗機(溫州大榮紡織有限公司)。

1.2 羊毛角蛋白溶液的制備

將羊毛剪碎浸入到還原劑LKS-610、亞硫酸氫鈉、溴化鋰的混合溶液中，具體工藝配方為:羊毛1 g，LKS-610 8 mL，NaHSO330 g/L，LiBr 26 g/L。

將混合溶液置于90℃恒溫振動水浴鍋中，充分溶解6 h，得到淡黃色角蛋白溶液，過濾后得到濃度為10.58%的溶液待用。

1.3 整理工藝優化

空白試樣處理工藝過程:羊毛織物100℃汽蒸1 h進行預定型→溫度為25℃、浴比為1∶25的蒸餾水處理60 min→脫水→空氣氧化1 h→充分洗滌→烘干(80℃、1 h)→熨燙。

角蛋白處理工藝過程:羊毛織物100℃汽蒸1 h進行預定型→羊毛角蛋白溶液整理(不同用量、溫度、時間、浴比1∶25)→脫水→空氣氧化1 h→充分洗滌→烘干(80℃、1 h)→熨燙。

角蛋白溶液整理織物正交試驗安排如表1所示。

表1 羊毛角蛋白溶液整理織物試驗安排Tab.1 Experiment of wool keratin solution finishing fabric

1.4 性能測試及外觀分析

1.4.1 織物防縮性能

按GB/T 8628—2001《紡織品測定尺寸變化的試驗中織物試樣和服裝的準備、標記及測量》進行織物防縮性能試驗，將待檢測的羊毛織物和純棉伴洗織物(共重2 kg)做好標記，放入洗衣機，使用5A程序進行洗滌，洗滌5次。將洗滌后的織物取出烘干、熨平后，置于標準條件下回潮。分別測量洗滌后羊毛織物的經向、緯向每組標記間的長度，按下式計算羊毛織物的氈縮率:

式中:A為面積氈縮率;S0為洗滌前標記的面積;S1為洗滌后標記的面積。

1.4.2 折痕回復角測試

采用垂直法測試織物折痕回復性。主要檢測織物的折痕回復角，包括急彈性回復角和緩彈性回復角。將待測樣按標準裁剪成“凸”字狀，在標準條件(溫度為20℃、濕度為65%)下，用20 N重錘壓試樣30 min后，立即讀出急彈性回復角，再經30 min后讀取緩彈性回復角。

1.4.3 織物力學性能測試

將待測的織物分別沿經、緯向裁剪并拆邊紗成20 cm×5 cm的布條，在標準條件(溫度為20℃、濕度為65%)下，用YG065型電子織物強力儀進行測試，拉伸間距為10 cm、拉伸速度為500 mm/min，測試斷裂強力和斷裂伸長率。

1.4.4 掃描電鏡觀察

取小束樣品粘貼在樣品臺導電膠上，噴金后置于TM1000型掃描電子顯微鏡的載物臺上觀察纖維表面的形態變化。

2 結果與討論

2.1 正交試驗結果分析

正交試驗具體結果見表2。

表2 處理后織物的平均氈縮率及折痕回復角Tab.2 Felting shrinkage and wrinkle recovery angle of finish wool fabric

2.1.1 氈縮率變化規律

表3示出氈縮率的主次因素。由表可知，影響氈縮率的主次因素順序為:溫度＞角蛋白溶液的用量＞時間。可看出，隨著溫度的升高、時間的延長、角蛋白溶液用量的增加，織物的氈縮率不斷減少，織物的防縮性能提高，有更好的定型效果。

表3 織物氈縮率的主次因素Tab.3 Primary and secondary factors analysis of felting shrinkage

處理溫度的變化很大程度上影響了織物的氈縮性能。隨著溫度的增加，織物的防縮性能提高，說明在整理過程中較高的溫度有利于整理液向織物內部轉移，也有利于纖維產生足夠的膨化以便于角蛋白多肽分子向纖維內部轉移、擴散，進而有效提高織物的防縮性能，同時溫度的提高有利于角蛋白溶液自身交聯覆蓋鱗片，較小定向摩擦效應，實現定型效果。溫度以75℃為宜。

角蛋白溶液用量也較大程度上影響織物的氈縮性能。相關研究表明，羊毛纖維及其織物在定型過程中主要是分子間作用力的拆散及分子間再交聯，拆開分子間作用力并有助于形成新交聯的物質能夠對羊毛纖維及織物產生定型效果，而且羊毛中二硫鍵(—S—S—)的打開與重建是定型的主要基礎［8－9］。在本文研究采取還原劑 LKS-610/LiBr/NaHSO3制備的角蛋白溶液中，不僅含有蛋白質結構中的半胱氨酸殘基，而且還含有未反應的NaHSO3及還原劑LKS-610，它們對羊毛纖維中二硫鍵的打開與重建均發揮作用，且角蛋白中的—SH能與羊毛纖維—S—S—交換而形成新交聯，實現定型效果。同時，也含有部分角蛋白溶液在織物表面形成自交聯而覆蓋鱗片，進而改善織物的氈縮性能。當角蛋白溶液用量達到25%(o.w.f)時，羊毛織物的氈縮率反而稍有升高，可能是過量的羊毛角蛋白在織物或纖維表面形成塊狀沉積物造成，因此，羊毛角蛋白溶液的用量選樣15%(o.w.f)。

隨著處理時間的延長，羊毛纖維膨化充分，利于角蛋白多肽分子進入纖維內部，定型作用充分，同時角蛋白中的—SH與羊毛纖維—S—S—形成新交聯、角蛋白自交聯覆蓋纖維鱗片都需要一定的反應時間。比較75 min與60 min羊毛織物的氈縮率，其變化并不大，處理時間選擇60 min。

2.1.2 折痕回復角變化規律

表4示出織物急彈性回復角的主次因素。由表可知，影響織物急彈性回復角的主次因素順序為:角蛋白溶液的用量＞溫度＞時間。可看出，隨著角蛋白用量的增加、溫度的升高、時間的延長，織物的急彈性回復角不斷增加，織物的折痕回復性能提高，有更好的定型效果，但在試驗范圍內，織物的緩彈性回復角變化不大，因此未作進一步分析。

表4 織物急彈性回復角的主次因素Tab.4 Primary and secondary factors analysis of wrinkle recovery angle

由表4可明顯看出，角蛋白溶液的用量對急彈性回復角的影響較大。羊毛角蛋白中的—SH能與羊毛纖維中—S—S—交換而形成新交聯，而且可對羊毛有良好的增塑作用，因此提高了羊毛織物的折痕回復性。隨著角蛋白溶液用量增加，急彈性回復角不斷增加，當角蛋白溶液用量達到25%(o.w.f)時，羊毛織物的急彈性回復角反而下降，結果與織物氈縮率相似，也可能是由于過多的羊毛角蛋白在織物表面形成塊狀沉積物造成，所以，羊毛角蛋白溶液的用量選擇15%(o.w.f)。

較高的處理溫度有利于羊毛纖維的膨化促進，也有利于角蛋白多肽分子向纖維內部轉移、擴散，使得角蛋白與羊毛更好地結合，有助于提高折痕回復性。由表4可知，隨著溫度的增加，急彈性回復角不斷增加，定型效果不斷提高，因此，處理溫度以75℃為宜。

足夠的處理時間可保證羊毛纖維膨化和與角蛋白間的充分反應。隨著時間的延長，急彈性回復性有一些增加，但變化幅度很小，所以綜合考慮，處理時間選擇60 min。

綜合以上分析，經羊毛角蛋白溶液整理后的羊毛織物可獲得更好的防縮性能和折痕回復性能。具體工藝條件為:羊毛角蛋白溶液的用量15%(o.w.f)，處理溫度75℃，處理時間60 min，浴比1∶25。

2.1.3 角蛋白溶液對纖維表面的影響

為說明角蛋白溶液對羊毛纖維表面的影響，應用掃描電鏡觀察處理前后纖維表面的狀態，如圖1所示。

圖1 不同處理方法整理羊毛纖維的掃描電鏡照片(×3 000)Fig.1 SEM images of different processing method of finished wool fiber(×3 000).(a)Optimal process of wool fiber;(b)Blank samples of wool fiber

由掃描電鏡照片可觀察到，空白試樣羊毛纖維上鱗片保存完整，經過角蛋白溶液整理羊毛纖維鱗片上明顯被包覆。通過掃描電鏡的比較可知，角蛋白溶液整理羊毛織物時，角蛋白可沉積在羊毛表面，將鱗片層包覆，減少了定向摩擦效應，而且角蛋白還可與纖維內部及表面通過再交聯作用達到定型效果，可見角蛋白溶液整理羊毛織物的定型效果較好。

2.2 定型效果

為說明角蛋白在羊毛織物整理過程中的作用和效果，將對按上述最優工藝角蛋白溶液處理的羊毛織物、未作處理的羊毛織物進行對比，比較氈縮率、折痕回復性、織物斷裂強力和斷裂伸長率的差異，驗證定型效果。具體試驗結果見表5。

表5 定型處理前后織物性能Tab.5 Comparison on fabric properties before and after setting

從表5分析可知，經角蛋白溶液處理的羊毛織物的尺寸穩定性、折痕回復角與空白試樣相比，均有較大幅度提高，說明整理后的織物具備了較好的定型效果。織物經過處理后的斷裂強力和斷裂伸長率沒有明顯變化。角蛋白溶液處理后的織物，在經緯上的斷裂強力有小幅的提高，而斷裂伸長率小幅的下降，這可能與角蛋白與纖維內部、表面發生交聯及部分角蛋白自身交聯附著在纖維表面有關［10］。

3 結論

1)羊毛角蛋白溶液整理羊毛織物，可提高織物的定型效果。通過正交試驗確定整理最優工藝為:羊毛角蛋白溶液用量 15%(o.w.f)、處理溫度75℃、處理時間60 min、浴比1∶25。對比處理織物前后的性能，毛織物氈縮率由17.85%下降到4.1%;急彈性回復角從144.2°提高到215°;斷裂強力小幅提高而斷裂伸長下降。

2)通過對比空白試樣和角蛋白整理毛織物工藝的氈縮率、折痕回復角、力學性能測試、以及掃描電鏡照片發現，角蛋白溶液整理羊毛織物，角蛋白可沉積在羊毛表面，將鱗片層包覆，而且角蛋白還可與纖維內部及表面再交聯作用達到定型效果。

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