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作者：趙永旗(河南工程學(xué)院)
指導(dǎo)老師：蘇玉恒(河南工程學(xué)院副教授)
近年來，膠原蛋白領(lǐng)域的研究十分活躍，進(jìn)展很快。在對膠原蛋白的利用方面，除主要的醫(yī)用、美容等方面，新的用途不斷被開發(fā)。新的用途主要著眼于膠原蛋白獨(dú)特的宏觀物理性能，即纖維性能，用于紡織、造紙、包裝材料等領(lǐng)域。
撰寫背景
膠原蛋白又稱膠原，是一種天然蛋白質(zhì)，廣泛存在于動物的皮膚、骨、軟骨、牙齒、肌腱、韌帶和血管中，是結(jié)締組織中極重要的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)。膠原是由3條鈦鏈擰成螺旋的纖維狀蛋白質(zhì)，具有很強(qiáng)的韌性、熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，而不同組織中的膠原，又有差異，具有獨(dú)特的功能。
近年來，膠原蛋白領(lǐng)域的研究十分活躍，進(jìn)展很快。在對膠原蛋白的利用方面，除主要的醫(yī)用、美容等方面，新的用途不斷被開發(fā)。新的用途主要著眼于膠原蛋白獨(dú)特的宏觀物理性能，即纖維性能，用于紡織、包裝材料等領(lǐng)域。國內(nèi)外目前對膠原蛋白的研究，多集中在化妝品、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在紡織紗線生產(chǎn)領(lǐng)域尚未見相關(guān)研究報告。目前對膠原蛋白纖維很有必要進(jìn)行研究。
2011年，由河南工程學(xué)院紡織工程系申報，經(jīng)鄭州市科技局批準(zhǔn)，確立鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目《膠原蛋白纖維紡紗性能研究》。該研究課題對上海全宇生物科技駐馬店遂平有限公司生產(chǎn)的我國擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的膠原蛋白改性合成纖維進(jìn)行了紡紗性能研究。在紡織系蘇玉恒老師的指導(dǎo)下，使用河南工程學(xué)院紡織實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)儀器和河南工程學(xué)院實(shí)訓(xùn)中心棉紡實(shí)驗(yàn)機(jī)，由趙永旗同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室各位老師的幫助下完成了對該膠原蛋白纖維各項(xiàng)性能的測試、紡紗實(shí)驗(yàn)及對所紡紗性能的測試分析，得出該纖維具有可紡性的結(jié)論。
高純度膠原蛋白易降解
膠原蛋白結(jié)構(gòu)由三條肽鏈螺旋組成，其特有的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成使其具有許多獨(dú)特的功能，如生物降解性、成纖性能、止血性能、免疫性能、離子和大分子結(jié)合性能、靜電學(xué)性能等。
膠原蛋白獨(dú)特的功能使膠原蛋白在醫(yī)學(xué)、化妝品、食品、化工原料、紡織等方面都有應(yīng)用。從動物骨骼中得到的骨膠原蛋白纖維，如從牛屈肌腱的骨膠原懸浮液制得的膠原蛋白纖維強(qiáng)度高，可作為醫(yī)用縫合線，這種縫合線在人體酶解后可以被組織吸收，生物適應(yīng)性優(yōu)良，無抗原性，生物體吸收良好。膠原蛋白制成的化妝品，能促進(jìn)皮膚的新陳代謝，增強(qiáng)循環(huán)，達(dá)到滋潤皮膚、保持皮膚潤澤等。在食品加工中，膠原蛋白能制作成香腸腸衣;經(jīng)調(diào)漿、成型、干燥、油炸等工序制作成膠原小食品。由于膠原纖維具有吸音性、微彈性、耐磨性等，日本采用膠原纖維、合成纖維與植物纖維以一定的比例混合生產(chǎn)出特種壁紙。膠原蛋白在紡織領(lǐng)域主要是對其他纖維的改性應(yīng)用。
膠原蛋白纖維的生產(chǎn)，首先要從動物的皮、軟骨等原料中提取膠原蛋白。目前提取膠原蛋白的方法主要有酸法、堿法、鹽法、酶法、綜合法。有些特殊用途的膠原蛋白還要經(jīng)過進(jìn)一步的純化。
純天然膠原蛋白纖維材料一般不能完全滿足人們實(shí)際生活的需要，純度高的膠原蛋白纖維易發(fā)生降解，且紡出的絲強(qiáng)度太低。因此，膠原蛋白纖維多是利用膠原蛋白對纖維進(jìn)行改性而成。如膠原蛋白與聚丙烯腈不同比例的共混紡絲，膠原蛋白和丙烯腈的質(zhì)量比為2∶98的條件下，聚合溶液具有良好的可紡性。利用從動物生皮或皮革工業(yè)廢棄物中分離得到膠原蛋白，經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的丙烯酸單體接枝改性后與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%的聚乙烯醇混合，在70℃下攪拌2小時，在40℃的凝固浴下進(jìn)行共混紡絲，經(jīng)濕法紡絲、凝固、拉伸和縮醛化處理后，制得具有良好吸濕性和染色性能的膠原蛋白/PVA復(fù)合纖維。
最佳配方與主要技術(shù)條件
本課題所使用的纖維是由上海全宇生物科技遂平有限公司開發(fā)生產(chǎn)，是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的的新型纖維，其原料為動物蛋白及羥基、氰基高聚物。生產(chǎn)原理是用酸水解的方法提取膠原蛋白，并將膠原纖維改變空間結(jié)構(gòu)使之在適當(dāng)?shù)臈l件下與羥基和氰基高聚物接枝，通過濕法紡絲生產(chǎn)出膠原蛋白纖維絲。在紡絲過程中，牽伸使纖維大分子達(dá)到一定的取向度，然后絲束經(jīng)過卷曲、熱定型、切斷等就成為紡織用的膠原蛋白纖維，經(jīng)出廠測定，其氨基酸總含量為12.35%。整個生產(chǎn)過程對環(huán)境、空氣、人體、土壤、水質(zhì)等基本無污染，纖維本身易生物降解，屬于綠色環(huán)保纖維。
膠原蛋白纖維適合紡中細(xì)特紗
為了對膠原蛋白纖維的形態(tài)特征、理化性能有一個比較系統(tǒng)全面的了解，本課題對該纖維進(jìn)行了全面的性能測試。
實(shí)驗(yàn)儀器：Y171型纖維切斷器、電子天平、生物顯微鏡、LLY-06B型電子纖維強(qiáng)力儀、Y151型纖維摩擦系數(shù)儀、YG362型卷曲彈性儀、放大鏡YG747型通風(fēng)式快速八籃恒溫烘箱、YG321型纖維比電阻測試儀及其附件等。
通過對膠原蛋白纖維的長度、細(xì)度、強(qiáng)力、摩擦因數(shù)、卷曲性能、質(zhì)量比電阻、回潮率、含油率，以及纖維的熱學(xué)性能分析，得出如下結(jié)論：
纖維的長度、細(xì)度適中，適合紡中細(xì)特紗;斷裂強(qiáng)力相對較高，所紡紗線及其織物強(qiáng)度較好;濕態(tài)強(qiáng)度同干態(tài)強(qiáng)度相比差距不大，在紡紗過程中車間的相對濕度對該纖維強(qiáng)度的影響較小;膠原蛋白纖維的摩擦因數(shù)相對其他纖維偏低，且動、靜摩擦因數(shù)差值較小，使紡出的紗條抱合力差，松散易斷，紡紗過程中要加大紗線捻度或適當(dāng)加入一定量的油劑;卷曲數(shù)較多，能彌補(bǔ)因纖維摩擦因數(shù)較小而紗條抱合力差的弱點(diǎn);纖維的回潮率相對化學(xué)纖維較大，且質(zhì)量比電阻也較小，在紡絲過程中又加上了較多的油劑，具有較好的防靜電性能;耐熱學(xué)性能比較好，但在高溫下會出現(xiàn)一定的熱收縮。
膠原蛋白有利于提高成紗條干
現(xiàn)將14.6tex和21tex的紗編為1組和2組，八管紗編號為A1、B1、C1、D1和A2、B2、C2、D2。對混紡紗分別進(jìn)行強(qiáng)伸性、毛羽、條干測試。
實(shí)驗(yàn)儀器：YG061——1500單紗強(qiáng)力測試儀、YG171紗線毛羽測試儀YG135條干均勻度測試分析儀。
對混紡紗的測試結(jié)果可看出，紗的這幾項(xiàng)數(shù)據(jù)和紗線的分等標(biāo)準(zhǔn)有一定的差距，這主要是因?yàn)榧徏喪褂玫男⌒蛯?shí)驗(yàn)機(jī)和工廠車間內(nèi)的機(jī)械有很大的出入，在一定的程度上影響了所紡紗的質(zhì)量。但通過對不同細(xì)度、不同混比的紗對比分析不難看出：
一是同一組混紡紗，隨著膠原蛋白纖維含量的增加，混紡紗的斷裂強(qiáng)度逐漸增加，紗的斷裂伸長率越大。
二是純棉紗的毛羽比混紡紗多，在線密度相同的同一組混紡紗中，可以看出膠原蛋白纖維混比越大，而紗的毛羽指數(shù)越小，同時可以看出膠原蛋白纖維混比相同，而混紡紗的線密度大時，紗的毛羽數(shù)較多。
三是從纖維的測試分析得出膠原蛋白纖維的各項(xiàng)性能對提高混紡紗的條干均勻率是有利的，但所紡制的這幾種紗的條干并沒有明顯的提高，這可能是由于在小型實(shí)驗(yàn)機(jī)上膠原蛋白纖維開松較差從而纖維分離度差，同時所混用的原棉性能差，以及加工工藝和機(jī)械性能等原因造成的。
從以上三個實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得出本實(shí)驗(yàn)所用的膠原蛋白纖維是可紡性很好的纖維。制得的混紡紗強(qiáng)力較大，斷裂伸長較大;膠原蛋白纖維的混比較大時，成紗的毛羽有所改善;膠原蛋白的各項(xiàng)優(yōu)良的性能，有利于提高成紗的條干。
膠原蛋白纖維具有止血功能
膠原蛋白纖維具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)使其具有特殊的用途，具有止血功能，可用其生產(chǎn)醫(yī)用繃帶、緊急止血帶。同時纖維柔軟順滑，有較好的皮膚親合性和一定的抗菌性，可用其生產(chǎn)貼身的衣物。但考慮到膠原蛋白纖維生產(chǎn)價格比較高，選擇其他原料混用。膠原纖維與植物纖維的天然線性高分子形態(tài)相似，而一般的醫(yī)用繃帶、內(nèi)衣也常用棉纖維生產(chǎn)，故選擇膠原蛋白纖維和棉纖維混紡。
利用校實(shí)驗(yàn)室內(nèi)東華大學(xué)生產(chǎn)的棉紡小樣機(jī)進(jìn)行紡紗。小樣機(jī)有4臺機(jī)械組成：DHU A202型清梳小樣機(jī)→DHU A301型并條實(shí)驗(yàn)機(jī)→DHU C01型棉型粗紗試驗(yàn)機(jī)→DHU X01型棉型細(xì)紗實(shí)驗(yàn)機(jī)。
各工序工藝原則及工藝參數(shù)
一是清梳工序：采用“輕定量、低速度、快轉(zhuǎn)移、少損傷、小張力牽伸、輕打多梳”的工藝原則。因膠原蛋白纖維膨松性好，定量不宜過重，否則容易堵塞喇叭口;纖維長度整齊度好、短絨少、不含雜質(zhì)、抱合力差，適當(dāng)降低開棉刀片打手的速度;道夫速度適當(dāng)降低，可減輕梳理負(fù)荷，錫林與道夫間的隔距適當(dāng)偏小掌握，有利于纖維順利轉(zhuǎn)移。
二是并條工序：采用低速度、重加壓、中定量、大隔距的工藝原則。為確�；旒彵葴�(zhǔn)確和混合均勻，采用先預(yù)并和后三道混并，共四道并條工藝。根據(jù)不同的混紡比來安排棉與膠原蛋白生條進(jìn)行混條。
三是粗紗工序：采用“重加壓、慢車速、適當(dāng)偏大捻度”的工藝原則，適當(dāng)放大羅拉隔距。
四是細(xì)紗工序：以“小隔距，中加壓，低車速，小后區(qū)牽伸，大后羅拉隔距，中硬度膠輥”為工藝原則。
根據(jù)以上工藝原則和工藝參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)機(jī)上紡制出14.6tex和21tex兩種線密度，膠原蛋白纖維含量分別為0%、10%、20%、30%4種不同混紡比的八管紗。
隨著人們生活水平和質(zhì)量的不斷提高，膠原蛋白纖維作為一種新型功能性纖維，其研究和應(yīng)用將更加廣泛。膠原蛋白資源將更合理的被人們利用。
醫(yī)用縫合線
醫(yī)用縫合線是一種用于人體手術(shù)縫合的線型材料。從材質(zhì)發(fā)展來看，其經(jīng)歷了絲線、羊腸線、化學(xué)合成線和純天然膠原蛋白縫合線。根據(jù)原材料的來源，醫(yī)用縫合線可分為天然縫合線(動物肌腱縫線、羊腸線、蠶絲和棉花絲線)和人造縫合線(尼龍、聚乙烯、聚丙烯、PGA、不銹鋼絲和金屬鉭絲)兩種。
隨著人們生活水平的逐步提高和對美的不斷追求，現(xiàn)在更傾向于選用吸收效果更好，拉力更強(qiáng)，綜合性能更理想的純天然膠原蛋白縫合線。純天然膠原蛋白縫合線取自特種動物肌腱組織，具有膠原蛋白材質(zhì)的諸多特性，和其他縫合線相比具有吸收效果好、拉力強(qiáng)、促進(jìn)傷口愈合等獨(dú)有功能。 (中國紡織報)
