羽毛角蛋白再生及成丝性能研究

摘要

随着环保意识的加强以及消费者需求的提高，对环境有益的新型纤维的研发越来越受到关注。在废弃物或副产品中获得的再生蛋白质纤维是值得加以利用的新型材料。自然界中角蛋白来源广泛，在人和动物的表皮、毛发以及动物的蹄、壳、爪、角等中均有存在。在我国年产废弃家禽羽毛有70多万吨，羽毛中的角蛋白含量可以达到85％-89％。现在角蛋白在生物医药行业、纺织行业以及动物饲料行业等方面已有广泛应用。研究利用这些废弃资源的新工艺，不但可以改善日益重视的环境问题，同时也可以实现资源的循环利用，实现资源的优化配置，是创建和谐节约型社会的重要举措。
　　 用于纺丝的蛋白在许多方面，包括分子量、结晶度、交联位点、无毒性、生物相容性、生物降解性等，都有其独特的要求，而作为天然高分子的角蛋白是完全符合的。但因为角蛋白是富含二硫键的蛋白质，又表现出与其他蛋白质不同的特性，其中交联度大，不容易溶解就是其中之一。现在利用角蛋白纤维成型的技术中，多以角蛋白与其他物质的共聚为手段，以湿法纺丝为处理方法，以解决角蛋白单独成丝时机械性能差的缺点。我国在这方面的研究开发尚处于起步阶段，许多角蛋白的优良性能还没有被开发利用，国内从事角蛋白生产和应用的企业寥寥可数。角蛋白作为一种用途广泛的生物材料，蕴藏着无限商机和美好的发展前景。
　　 本课题是将羽毛角蛋白通过改变尿素、偏重亚硫酸钠和SDS的不同配比得到不同的的羽毛角蛋白溶解液，从而获得了角蛋白溶液和角蛋白再生物两类不同性质的成丝原材料，并分别将其制为成丝纤维。通过实验发现，角蛋白溶液的粘度在40cp-100000cp之间变化，而角蛋白再生物的粘度范围在200000cp-400000cp。同时通过测定羽毛、羽毛角蛋白溶液和羽毛角蛋白再生物的红外光谱图，利用软件分析，得到了三者红外谱图的隐峰，并由此得到了它们二级结构的不同，发现β-折叠在羽毛和角蛋白再生物的优势存在，分别达到了45.2％、50.8％，而角蛋白溶液以α-螺旋为优势，达到41.8％。角蛋白溶液在转变为角蛋白交联物的过程中，α-螺旋含量降低，β-折叠增多，发生的是α-螺旋向β-折叠的转变。通过对羽毛角蛋白、角蛋白溶液、角蛋白再生物的热重分析，发现经处理之后，角蛋白主要的失重温度发生在100℃-400℃之间。同时发现，冷冻干燥之后的角蛋白再生物比经同样处理的角蛋白溶液有更好的热稳定性。
　　 当无机盐和有机物作为凝固浴时，其凝固能力的顺序依次为:BaCl2=CaCl2＞Al2(SO4)3＞MgSO4＞(NH4)2SO4＞KCl＞Na2SO4。当有机溶剂CH3CH2OH、HCOOH和CH3COOH作为凝固浴时，CH3CH2OH和HCOOH对角蛋白溶液的凝固作用相似，而CH3COOH对于角蛋白溶液的凝固能力较弱。同时也可以发现，相对于有机溶剂，无机盐对于角蛋白溶液具有更好利用价值，用量少，效果快速明显，无刺激、无毒害作用。同时，在改变凝固浴如CaCl2浓度，随着其浓度的增加，其对角蛋白溶液的凝固效果增加，相分离能力增加。随着温度的升高，凝固浴的凝固能力逐渐增加。但因为适当降低凝固浴温度，可以提高纤维的致密性，减少纤维截面上的孔洞，密度增大，韧性提高，有效的增强纤维的性能，同时考虑到成本，操作性等因素，认定在常温25℃下进行纤维成型，具有更有利的优势。
　　 两类不同的成丝材料通过合适的方法制成成丝纤维后，测定其力学方面的性能。在不同线密度对成丝纤维力学性能的影响试验中发现，随着纤维线密度的增加，其断裂伸长率增加，但是观察拉伸断裂强度，随着线密度的增加，其值逐渐减少。不同凝固浴对纤维力学性能也存在显著的影响。纤维在以CaCl2和甘油的凝固浴中凝固成形之后，其拉伸强度较小，而且随着甘油含量逐步增加，纤维的拉伸断裂强度逐渐减小，但是断裂伸长率呈现先增加后减小的趋势。而当CaCl2和乙酸作为凝固浴的时候，随着乙酸浓度的增加，拉伸断裂强度逐渐增加，断裂伸长率先增加后减小。另外，对比两者作为凝固浴时纤维的力学性能发现，当乙酸作为凝固浴时，纤维的拉伸断裂强度和断裂伸长率更好。温度对纤维力学性能的影响也许引起注意，凝固浴温度从10℃到45℃，拉伸率、拉伸强度和杨氏模量都是先增加后减小的。纤维的力学性能的时间依赖性-应力松弛实验中，证实由乙酸处理之后的纤维具有更好的结构稳定性。通过观察纤维表面的形貌特征，发现在甘油和乙酸共同作为凝固浴时，纤维的表面特征最好。从而证明了利用角蛋白交联物制成的纤维具有较好的性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 羽毛的结构特点

1．2．1 羽毛的外形特点

1．2．2 羽毛的化学结构

1．3 角蛋白的应用

1．3．1 角蛋白作为织物整理剂的应用

1．3．2 角蛋白作为导电材料的应用

1．3．3 角蛋白作为皮革填充物的应用

1．3．4 角蛋白作为医学材料的应用

1．3．5 角蛋白塑料和膜材料的应用

1．3．6 角蛋白作为动物饲料的应用

1．3．7 角蛋白作为重金属吸附剂的应用

1．3．8 角蛋白作为印染废水处理剂的应用

1．4 角蛋白纺丝成型简介

1．4．1 角蛋白溶液凝固成形原理简述

1．4．2 挤出蛋白浓溶液丝条凝固成型原理简述

1．5 角蛋白纤维的研究进展

1．6 选题意义

第二章 羽毛角蛋白的再生及表征

2．1 前言

2．2 实验仪器与材料

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验仪器

2．3 试验方法

2．3．1 降解液的制备

2．3．2 羽毛的溶解

2．3．3 羽毛角蛋白溶液及交联物的制备

2．3．4 透析

2．3．5 蛋白含量的测定

2．3．6 粘度测定

2．3．7 流变性能测定

2．3．8 红外光谱

2．3．9 X射线衍射

2．3．10 热力学分析

2．4 结果分析

2．4．1 羽毛角蛋白溶液和交联物形貌特征

2．4．2 还原液浓度对蛋白含量和粘度的影响

2．4．3 还原液浓度对流变性能的影响

2．4．4 角蛋白产物的红外光谱表征

2．4．5 不同降解条件下羽毛角蛋白酰胺Ⅲ带曲线拟合

2．4．6 X射线衍射测定结晶结构

2．4．7 热力学性质分析

2．5 本章小结

第三章 凝固剂的选择与凝固成型条件研究

3．1 前言

3．2 实验仪器与材料

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验仪器

3．3 实验方法

3．3．1 降解液的制备以及羽毛溶解

3．3．2 同浓度不同种类凝固浴对角蛋白溶液的凝固效果测定

3．3．3 不同浓度凝固浴对角蛋白溶液的凝固效果

3．3．4 凝固剂在不同温度下凝固能力

3．3．5 角蛋白溶液和角蛋白交联物纤维成型形貌观察

3．3．6 蛋白浓溶液挤出丝条凝固成型条件初步探讨

3．4 实验结果

3．4．1 凝固浴对角蛋白溶液凝固效果

3．4．2 同种不同浓度凝固浴对角蛋白溶液的凝固效果测定

3．4．3 不同温度的凝固剂对角蛋白溶液的凝固能力的测定

3．4．4 角蛋白稀溶液与角蛋白交联物纤维成型形态差异

3．4．5 角蛋白溶液在凝固浴的凝固过程

3．5 本章小结

第四章 角蛋白纤维的性能表征

4．1 前言

4．2 实验材料与仪器

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验仪器

4．3 试验方法

4．3．1 羽毛角蛋白溶解液的制备

4．3．2 凝固浴的制备

4．3．3 羽毛角蛋白成丝纤维的制备

4．3．4 通过不同孔径时所形成的纤维线密度测定

4．3．5 不同的成丝孔径对纤维机械性能的影响

4．3．6 不同凝固浴对丝条拉伸性能的影响

4．3．7 不同凝固浴温度的丝条拉伸性能的测试

4．3．8 丝条的松弛性能测试

4．3．9 纤维表面形貌

4．4 实验结果

4．4．1 纤维的线密度测定

4．4．2 不同线密度纤维力学性能测试

4．4．3 不同的成丝原液对纤维拉伸性能的影响

4．4．4 不同凝固浴对纤维的拉伸强度的影响

4．4．5 温度对纤维力学性能的影响

4．4．6 纤维力学性能的时间依赖性——应力松弛

4．4．7 纤维的表面形貌表征

4．5 本章小结

第五章 结论和展望

5．1 羽毛角蛋白的再生及表征

5．2 角蛋白溶液凝固剂的选择与丝条凝固成型条件研究

5．3 角蛋白纤维的性能表征

5．4 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的专利和学位论文

致谢