膠原蛋白錦綸及其織物的性能

陸陳琛， 張紅霞， 祝成炎， 田 偉， 王浙峰， 徐青藝，呂思晨

(1.浙江理工大學(xué) “紡織纖維材料與加工技術(shù)”國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018;2.浙江敦奴聯(lián)合實(shí)業(yè)股份有限公司，浙江 海寧 314400；3.中國長絲織造協(xié)會(huì)，北京 100020)

膠原是一種天然的纖維蛋白，具有典型的三螺旋結(jié)構(gòu)[1]，被稱為“皮膚的軟黃金”[2]。膠原蛋白纖維富含多種氨基酸，其氨基酸組成與人體皮膚組成非常接近，具有高度的親和性，并且膠原蛋白纖維可生物降解，是一種環(huán)保纖維[3]。膠原蛋白纖維具有優(yōu)良的力學(xué)性能、抗菌性、生物相容性、可生物降解性及可再生性，當(dāng)前其在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用主要在生物醫(yī)學(xué)方面[4]。膠原蛋白纖維價(jià)格昂貴，受眾群較小，因此，再生膠原蛋白纖維的開發(fā)具有廣闊的市場潛力。

本文采用膠原蛋白錦綸與幾種常見紗線織制成4個(gè)系列共33種織物，進(jìn)行抗紫外線、抗菌、透氣性、透濕性等功能性及服用性能測試，開發(fā)舒適性及功能性優(yōu)良的面料，以滿足未來市場的需求。

1 膠原蛋白錦綸的性能研究

1.1 膠原蛋白錦綸性能測試儀器及設(shè)備

針對膠原蛋白錦綸及其織物的性能測試，采用以下測試儀器：XL-2型紗線強(qiáng)伸度儀、XDP-1織物懸垂性測試儀(上海新纖儀器有限公司)，YG871型毛細(xì)管效應(yīng)測定儀(深圳海濱儀器有限公司)，Nicolet 5700傅立葉紅外光譜儀(美國熱電公司)，JSM-5610LV型掃描電鏡(日本株式會(huì)社JEOL)，YG026H型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)、YG461E-Ⅲ全自動(dòng)透氣量儀、YG601-Ⅰ/Ⅱ型電腦式織物透濕儀(寧波紡織儀器廠)，YG(B)141D數(shù)字式織物厚度儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)，UV-2000F*紡織品抗紫外因子測試儀(美國labsphere公司)及實(shí)驗(yàn)室常見設(shè)備等。

1.2 膠原蛋白錦綸的基本情況

膠原蛋白錦綸(UMORFIL公司)是利用專利技術(shù)從深海魚魚鱗中提取海洋膠原蛋白勝肽氨基酸制成膠原蛋白液和錦綸共混紡絲而成[5-6]。現(xiàn)采用XL-2型紗線強(qiáng)伸度儀對線密度為7.78 tex的膠原蛋白錦綸進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)其斷裂強(qiáng)度達(dá)4.5 cN/dtex，斷裂伸長率為38%，與同線密度的錦綸相比提升18%。

現(xiàn)采用FZ/T 50018—2013《蛋白黏膠纖維蛋白質(zhì)含量試驗(yàn)方法》中次氯酸鈉法進(jìn)行膠原蛋白含量測試，根據(jù)錦綸耐堿的特性，利用次氯酸鈉溶液將蛋白質(zhì)從膠原蛋白錦綸中溶解去除，由纖維損失的質(zhì)量得到蛋白質(zhì)含量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中公式計(jì)算，測試結(jié)果得膠原蛋白錦綸中膠原蛋白含量為2.31%，和其他膠原蛋白纖維含量相差不多。

為了解膠原蛋白錦綸的吸濕導(dǎo)濕性能，根據(jù)FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》，采用YG871型毛細(xì)管效應(yīng)測定儀，在標(biāo)準(zhǔn)大氣下測得紗線芯吸高度變化，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 膠原蛋白錦綸的芯吸高度變化Fig.1 Wicking height changes of the collagen nylon

由圖1可知，膠原蛋白錦綸芯吸高度最高可達(dá)到5.3 cm，與普通錦綸比相差不多，但其芯吸速率比普通錦綸大。這說明膠原蛋白錦綸的吸濕導(dǎo)濕性能與普通錦綸相比更優(yōu)良。

1.3 膠原蛋白錦綸的紅外光譜分析

采用Nicolet 5700傅立葉紅外光譜儀對膠原蛋白錦綸長絲進(jìn)行測試分析，光譜范圍為4 000～600 cm-1，分辨率大于0.09 cm-1，測試結(jié)果見圖2。由圖2可知，膠原蛋白錦綸的峰值變化趨勢與錦綸66[6]大致相同，這表明膠原蛋白錦綸和錦綸66的主要成分和基團(tuán)基本一致。其主要區(qū)別在于膠原蛋白錦綸長絲在波段1 600 cm-1波峰即CN鍵處其透光率高一些。

圖2 膠原蛋白錦綸長絲紅外光譜Fig.2 FT-IR spectrum of the collagen nylon filament

1.4 膠原蛋白錦綸的元素測定

采用JSM-5610LV型掃描電鏡分別對膠原蛋白錦綸和桑蠶絲進(jìn)行元素相對原子百分比測試分析，測試結(jié)果見表1。由表1可見，膠原蛋白錦綸僅包含C、N、O三種元素，桑蠶絲由于未完全脫膠，除C、N、O外另有少量其他元素，兩者相比，膠原蛋白錦綸N含量有所減少。

表1 膠原蛋白錦綸與桑蠶絲的元素相對原子百分含量Tab.1 Relative atomic percentage of collagen nylon and mulberry silk

2 試樣織物規(guī)格設(shè)計(jì)

為達(dá)到舒適性和功能性優(yōu)良的目的，本次試驗(yàn)選擇同樣為合成纖維的滌綸和親膚性較好的黏膠為經(jīng)紗，以不同投緯比例及不同織物組織作為變化因子，設(shè)計(jì)并織造了A、B、C、D四個(gè)系列，共33種織物。在保證其他條件相同的情況下，B系列采用滌綸作為經(jīng)紗，C系列采用黏膠作為經(jīng)紗；在保證組織相同的情況下，膠原蛋白錦綸和精梳棉紗的投緯比例依次為0︰1、1︰4、1︰3、1︰2、1︰1、2︰1、3︰1、4︰1、1︰0；在保證各投緯比相同的情況下，A系列織物采用平紋組織，B、C系列織物采用五枚緞紋組織，D系列則依次采用平紋、2/1斜紋、破斜紋、緯二重、雙層、五枚緞紋組織。各系列規(guī)格參數(shù)見表2、表3。

表2 A系列織物規(guī)格參數(shù)Tab.2 Specification parameters of A series fabric

表3 D系列試樣織物規(guī)格參數(shù)表Tab.3 Specification parameters of D series fabric

注：B系列織物經(jīng)線改為5.55 tex滌綸，組織改為五枚緞紋，其他與A系列相同；C系列織物組織改為五枚緞紋，其他與A系列相同。

3 織物性能測試

3.1 保形性及厚度測試

保形性測試包含織物懸垂性、拉伸回彈性兩部分[7]。參照GB/T 23329—2009《紡織品 織物懸垂性的測定》，選用XDP-1織物懸垂性測試儀進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表4。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：D系列織物靜態(tài)懸垂系數(shù)變化較大，最好為D5雙層組織，其原因?yàn)榭椢飸掖剐允芙?jīng)緯向活絡(luò)率影響較大，織物結(jié)構(gòu)越松散，懸垂性越好；比較A、B、C系列可發(fā)現(xiàn)，織物靜態(tài)懸垂系數(shù)隨著膠原蛋白錦綸的投緯比例的增加而增加，原因?yàn)槟z原蛋白錦綸比棉剛度大，隨著膠原蛋白錦綸作為緯紗比例的增多，織物剛度逐漸增高，懸垂性變差。

參照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定 條樣法》及GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》，選用YG026H型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)和YG(B)141D數(shù)字式織物厚度儀進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表4。根據(jù)表4中斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，A、B、C三個(gè)系列斷裂強(qiáng)力隨著膠原蛋白錦綸的投緯比例的增加變化不大，最大為B系列，這是因?yàn)锽系列采用滌綸為經(jīng)紗，其他系列采用黏膠為經(jīng)紗，而滌綸比黏膠強(qiáng)度高；D系列除D5外織物的斷裂強(qiáng)力變化不大，這是因?yàn)镈5采用的是雙層組織，在相同經(jīng)緯密的情況下與單層織物相比結(jié)構(gòu)更加松散，因此更易斷裂。織物的厚度普遍在0.3 mm以內(nèi)屬于輕薄織物。

表4 織物舒適性及服用性能測試結(jié)果Tab.4 Test results of fabric comfortability and wearability

注：UVA、UVB分別表示波長在315～400 nm及280～315 nm的日光紫外線輻射；UPF表示紫外線防護(hù)系數(shù)。

3.2 透通性測試

透通性測試主要包含透氣和透濕性測試兩部分。織物透氣性測試方法參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，測試儀器為YG461E-Ⅲ全自動(dòng)透氣量儀。織物透濕率測試方法參照GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第1部分：吸濕法》，測試儀器為YG601-Ⅰ/Ⅱ型電腦式織物透濕儀。

織物透氣性結(jié)果見表4。A、B、C三個(gè)系列透氣率都隨著膠原蛋白錦綸的投緯比例的增加而減少，這是因?yàn)殄\綸屬于合成纖維其透氣性比天然纖維差。其次，C系列明顯優(yōu)于B系列，透氣率最高相差1 000 mm/s，原因?yàn)閮上盗胁捎玫慕?jīng)線不同，而膠原蛋白錦綸結(jié)構(gòu)類似于錦綸，透氣性比滌綸好很多。D系列透氣率D5>D4>D6>D2>D3>D1，可發(fā)現(xiàn)織物組織結(jié)構(gòu)的變化對織物透氣性影響較大，最差的是平紋組織，其原因是平紋組織在相同經(jīng)緯密的情況下經(jīng)緯線相互交織次數(shù)最多，紗線間空隙最小。

織物透濕性結(jié)果見表4。除B1、D4和D5外，其余織物透濕率在300～500 g/(m2·h)，透濕率較高。但B系列織物透濕率總體低于A、C系列織物，這是因?yàn)锳、C系列經(jīng)線選用的是黏膠，黏膠纖維含有大量親水基團(tuán)的纖維素大分子可以起到水化作用，而滌綸不及黏膠，由此表明紗線原料對織物透濕性能影響較大。而A、B、C三個(gè)系列織物透濕率最大的分別是A9、B9、C9，這表明當(dāng)投緯比是1︰0時(shí)織物透濕性能最優(yōu)。并且緯紗中含有膠原蛋白錦綸織物的透濕率比不含的織物高很多，其原因?yàn)槟z原蛋白含有大量親水基團(tuán)，吸濕性和保濕性較好。D系列中除D4、D5外結(jié)果都相近，表明織物單雙層對織物透濕率影響較大。

3.3 抗紫外性測試

參照GB/T 18830—2009《紡織品 防紫外線性能的評定》，選用UV-2000F*紡織品抗紫外因子測試儀對織物進(jìn)行測試，結(jié)果如表4所示。織物抗紫外性能受紗線原料影響較大。A、B、C三個(gè)系列織物UPF值隨著膠原蛋白錦綸的投緯比例的增加而增加，當(dāng)投緯比為1︰0時(shí)數(shù)值最大，這是因?yàn)殄\綸本身就具有良好的抗紫外性能，織物隨著膠原蛋白錦綸數(shù)量的增加，抗紫外性能也就越好。其中B系列UPF值明顯優(yōu)于A、C兩個(gè)系列，最高可達(dá)110.86，遠(yuǎn)超國家防紫外標(biāo)準(zhǔn)要求，是因?yàn)闇炀]和錦綸都比黏膠要有良好抗紫外性能。D系列織物UPF值最大的是D6也就是五枚緞紋組織，這表明五枚緞紋比其他組織抗紫外性能要好。

3.4 抗菌性測試

織物抗菌性測試方法參照美國AATCC-90暈圈法[8]，也叫瓊脂平皿法。其原理是，在瓊脂培養(yǎng)基上接種試驗(yàn)菌，再緊貼試樣，于37 ℃下培養(yǎng)24 h后，用放大鏡觀察菌類繁殖情況和試樣周圍無菌區(qū)的暈圈大小，與對照樣的試驗(yàn)情況比較。

日常生活中常見菌種主要有金黃色葡萄球菌和大腸桿菌兩種。針對這兩菌種選擇B系列織物進(jìn)行測試，試樣直徑為25 mm，測試結(jié)果如圖3、圖4所示，織物邊沿至紅線范圍表示抑菌圈。結(jié)果表明：B1(不含膠原蛋白錦綸)抑菌圈基本沒有，B9(緯紗均為膠原蛋白錦綸)當(dāng)投緯比為1︰0時(shí)抑菌效果最為明顯，抑菌圈最大。其原因就是同樣大小尺寸的織物中該投緯比時(shí)膠原蛋白含量最多，而膠原蛋白有天然的抗菌性能，因此其抑菌效果也最明顯。

圖3 B1、B9金黃色葡萄球菌抑菌結(jié)果Fig.3 Bacteriostasis results of B1 and B9 Staphylococcus aureus

圖4 B1、B9大腸桿菌抑菌結(jié)果Fig.4 Bacteriostasis results of B1 and B9 Escherichia coli

3.5 綜合評價(jià)

利用模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)方法[9]，結(jié)合紡織領(lǐng)域鄭慧[10]等專業(yè)學(xué)者文獻(xiàn)和實(shí)際穿著過程中人們的實(shí)際感受選取以下五種因素：織物厚度、懸垂性、透濕性、透氣性、抗紫外效果，分別對A、B、C、D四個(gè)系列織物進(jìn)行綜合分析。以B系列織物為例，其他3個(gè)系列相類似。

1)建立因素集U

U={u1,u2,u3,u4,u5}={織物厚度，懸垂性，透濕性，透氣性，抗紫外}

(1)

2)建立評價(jià)集

將B系列B1～B9分別對應(yīng)為Y1～Y9：

V={Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Y7,Y8,Y9}

(2)

3)單因素評判

根據(jù)最大最小法建立模糊相似矩陣，經(jīng)過凌雪[11]等專業(yè)學(xué)者文獻(xiàn)及實(shí)際情況取整確定隸屬函數(shù)得出單因素評判矩陣R：

(3)

4)建立權(quán)重集A

使用組合賦權(quán)法[12]，通過前期調(diào)查問卷結(jié)果得出大眾普遍認(rèn)為透氣性及抗紫外效果比較重要，其中透氣性占26.6%、抗紫外效果占23.2%等。考慮到建立數(shù)學(xué)集的科學(xué)性及有效性，綜合相關(guān)參考文獻(xiàn)及專家意見，得出各項(xiàng)性能指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)A：

A=(0.20,0.14,0.18,0.26,0.22)

(4)

5)模糊綜合評判

根據(jù)M(·，+)計(jì)算出結(jié)果：

B=AR=(0.20,0.14,0.18,0.26,0.22)

(5)

=(0.482,0.536,0.511,0.506,0.510,0.509,0.546,0.550,0.617)

根據(jù)最大隸屬度原則，可得出Y9方案即編號為B9的織物綜合性能最佳，為最優(yōu)方案。運(yùn)用相同的方法可依次得出A系列織物中A9、C系列織物中C9、D系列中D6為最優(yōu)方案。

4 結(jié) 論

膠原蛋白錦綸膠原蛋白含量為2.31%，其主要成分和基團(tuán)與錦綸66基本一致，但比錦綸66性能更加優(yōu)良，其斷裂強(qiáng)力比普通錦綸大18%，芯吸速率比普通錦綸高，吸濕導(dǎo)濕性能好。當(dāng)投緯比為1︰0時(shí)，織物抗紫外性、透濕性能最優(yōu)，抑菌效果最為明顯。不同組織中五枚緞紋組織織物的織物綜合性能最佳。因此，投緯比為1︰0且為五枚緞紋組織的織物最適合開發(fā)高檔內(nèi)著衣物。