睡蓮蛋白黏膠纖維結構與性能研究

宋慎群，宋向榮，范甫軍，周 莉，李明華

（1.江蘇康溢臣生命科技有限公司，江蘇 南通 226001；2.青島大學 紡織服裝學院，山東 青島 266071）

隨著人們生活水平的提高、健康意識的增強，健康、親膚、綠色已成為功能纖維開發的熱點。抗菌親膚系列產品，尤其是家用紡織品、兒童紡織品、內衣等，深受消費者的青睞。黏膠纖維來源于豐富的天然資源，具有柔軟舒適、吸濕透氣等優點。

睡蓮為睡蓮科蓮，屬多年生水生草本植物。蓮制品包括蓮子、蓮房、蓮葉、蓮藕等。其中，蓮子、蓮房、蓮葉具有藥用和保健作用[1]。膠原蛋白是一種天然的蛋白，富含18種氨基酸等營養物質，具有保濕護膚的作用。研究表明，早在20世紀80年代，國外已開展了膠原蛋白復合纖維的研究，特別是膠原蛋白與聚丙烯腈、聚乙烯醇共混制備復合纖維。膠原蛋白與此類合成纖維進行共混，可降低膠原蛋白的水溶性，提高膠原蛋白的可紡性，同時，能提高合成纖維與人體皮膚的親和性以及合成纖維的吸濕性、染色性[2]。

本研究采用天然睡蓮的提取物，并與膠原蛋白、黏膠紡絲液共混紡絲制得了抗菌親膚的功能性纖維，并對該纖維的基本性能、抗菌性能、蛋白質量分數進行了測試與表征，為睡蓮蛋白黏膠纖維的生產和使用提供依據。

1 試驗

1.1 主要試劑和儀器

試劑：睡蓮提取物、膠原蛋白、去離子水、無水乙醇、冰醋酸、硫酸鋅、硫酸鈉、無水碳酸鈉等，以上試劑均為分析純。

儀器：Nicolet-6700傅里葉變換紅外吸收光譜；ZEISS EVO 18，Germany掃描電鏡；DMAXRD-II型X射線衍射儀；LLY-06E電子單纖維強力儀。

1.2 睡蓮蛋白黏膠纖維的制備

1.2.1 睡蓮提取物、膠原蛋白與黏膠共混紡絲液的制備

稱取20 g睡蓮提取物，將其溶于100 mL蒸餾水中，制成睡蓮提取物水溶液。稱取20 g膠原蛋白，將其按1∶1溶于蒸餾水中，制成膠原蛋白溶液，然后將睡蓮提取物與膠原蛋白按照1∶1混合，再以甲纖質量分數為10%的配比與黏膠紡絲液混合。

1.2.2 睡蓮蛋白黏膠纖維的紡制

將經過脫泡、過濾后的含有睡蓮提取物、膠原蛋白的黏膠共混紡絲液通過濕法紡絲，經過凝固成型、拉伸和后處理得到睡蓮蛋白纖維。

2 纖維性能測試及分析

2.1 測試方法

2.1.1 纖維形態

將紡絲得到的纖維采用Y172型哈氏纖維切片器進行橫向切片，然后將切片和纖維置于ZEISS EVO 18掃描電鏡下，觀察普通黏膠纖維和睡蓮蛋白黏膠纖維的橫截面和縱向形態。

2.1.2 纖維化學結構

利用傅里葉紅外光譜儀（FT-IR），將普通纖維和睡蓮蛋白黏膠纖維分別采用溴化鉀壓片測試化學結構，波數范圍為4 000～300 cm-1，分辨率為2 cm-1。

2.1.3 纖維結晶度測試

利用X射線衍射儀測試普通纖維和睡蓮蛋白黏膠纖維的結晶度。掃面范圍為10°～80°，掃描速度為4°/min。

2.1.4 纖維力學性能測試

參照GB/T 14337—2008《化學纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》，利用電子單纖維強力儀測試普通黏膠纖維和睡蓮蛋白黏膠纖維在干態、濕態下的力學性能。

2.1.5 纖維抗菌性能

抗菌性能測試分別根據GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分：振蕩法》和GB/T 209144.2—2007《吸收法測試纖維對肺炎克雷伯氏菌和痤瘡桿菌的抑制率》完成。

2.1.6 纖維蛋白質量分數

采用凱氏定氮法測試纖維蛋白質量分數。

2.2 結果與討論

2.2.1 睡蓮蛋白黏膠纖維的形態

睡蓮蛋白黏膠纖維的橫截面形態如圖1所示，縱向形態如圖2所示。

由圖1可見，普通黏膠和睡蓮蛋白黏膠纖維的橫截面都有明顯的鋸齒形外觀，但是睡蓮蛋白黏膠纖維的橫截面有明顯的孔隙，還有一些細小的顆粒清晰可見[圖1（b）箭頭]。由圖2可見，普通黏膠和睡蓮蛋白黏膠纖維的縱向表面有凹槽，但是睡蓮蛋白纖維表面有睡蓮提取物[圖2（b）]。這是由于睡蓮提取物和膠原蛋白溶液的加入導致黏膠紡絲液切力變稀，使得提取物分布于纖維表面。

2.2.2 睡蓮蛋白黏膠纖維傅里葉紅外光譜

睡蓮蛋白黏膠纖維和普通黏膠纖維的紅外光譜如圖3所示。由圖3（a）和由圖3（b）可以看出，睡蓮蛋白黏膠纖維和普通黏膠的紅外光譜圖基本一致。其中，3 430 cm-1處為纖維素羥基（—OH）的伸縮振動峰，而在睡蓮蛋白黏膠纖維中，該峰峰面變寬，說明睡蓮提取物中的酮類和酚類化合物與纖維素中的羥基發生了氫鍵作用。2 903 cm-1處為纖維素纖維中C—H的特征伸縮振動峰，1 321 cm-1處為C—H2面內搖擺振動特征峰，896 cm-1處的振動峰與C1及其4個連接原子的振動有關[3-4]。

2.2.3 睡蓮蛋白黏膠纖維XRD分析

睡蓮蛋白黏膠纖維的X射線衍射曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，普通黏膠纖維與睡蓮蛋白黏膠纖維在2θ=12.1°、20.5°和22.5°是典型的纖維Ⅱ型特征峰。對圖4中纖維結晶度的XRD曲線進行計算可得，普通黏膠纖維的結晶度為40.6%，而多功能黏膠纖維的結晶度為48.3%，略高于普通黏膠纖維的結晶度。這是由于植物功能性組分的添加增強了纖維素之間的交互，在一定程度上調整了纖維大分子的有序排列，使得纖維無定形區減少、結晶度提高[5]。

2.2.4 睡蓮蛋白黏膠纖維的力學性能

纖維力學性能是測試纖維材料和使用加工性能的一項重要指標。睡蓮蛋白黏膠纖維和普通黏膠纖維的力學性能測量指標見表1。

表1 睡蓮蛋白黏膠纖維和普通黏膠纖維基本力學性能指標

由表1可以看出，睡蓮蛋白黏膠纖維干強優于濕強，與普通黏膠相比，干態斷裂強度增加，斷裂伸長率均有所下降，這是由于在黏膠紡絲液中加入睡蓮提取物和膠原蛋白后，增強了纖維素之間的交互作用，使睡蓮蛋白黏膠纖維的結晶度提高，干強增加。另外，由于無定形區的減少、纖維大分子之間的結合力較普通黏膠大，水分子進入纖維后不易打開分子鏈的連結，使得濕態下的斷裂伸長率較普通黏膠纖維降低[6]。

2.2.5 睡蓮蛋白黏膠纖維的抗菌防菌性能

根據GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分：振蕩法》和GB/T 209144.2—2007《吸收法測試纖維對肺炎克雷伯氏菌和痤瘡桿菌的抑制率》對睡蓮蛋白黏膠纖維的抗菌性能進行測試，結果見表2。

表2 睡蓮蛋白黏膠纖維抗菌性能

由表2可以看出，睡蓮蛋白黏膠纖維對肺炎克雷伯氏菌和痤瘡桿菌都表現出較強的抑制活性，抑菌率分別達到90%和94%，這是由于睡蓮提取物的添加使得纖維具有較強的抑菌性能。

2.2.6 睡蓮蛋白黏膠纖維的蛋白質量分數

采用凱氏定氮法測量普通黏膠纖維和睡蓮蛋白黏膠纖維中的蛋白質量分數，如表3所示。睡蓮蛋白黏膠纖維中的蛋白質量分數為2.56%，符合紡織品蛋白纖維含量的要求。

表3 睡蓮蛋白黏膠纖維蛋白質量分數

3 結語

（1）本試驗制備的睡蓮蛋白纖維橫截面呈鋸齒形，睡蓮提取物分布于纖維表層。睡蓮蛋白纖維與普通黏膠纖維相比，仍保持纖維素Ⅱ的結構，纖維的干強增加、結晶度提高。

（2）睡蓮蛋白纖維對肺炎克雷伯氏菌和痤瘡桿菌的抑菌率分別為90%和94%，顯示了良好的抗菌功能。

（3）睡蓮蛋白纖維的蛋白質量分數為2.56%。

（4）睡蓮蛋白纖維可作為一種新型功能性纖維廣泛應用于服裝、家裝及醫用紡織品，市場前景廣闊。