大豆蛋白纤维的研究进展

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大豆蛋白纤维的研究进展

The Research on Progress of Soybean Protein Fiber

文/郎思遥 唐艳云 肖玫 李烽 何东海 胡艳

摘要

大豆蛋白纤维作为一种再生蛋白质纤维，其独特的理化性能在纺织行业中有着广泛的应用。以大豆蛋白纤维为原料的织物除了有着轻薄、耐酸耐碱性强、吸湿导湿性好等特点外，还有着羊绒般的柔软手感，蚕丝般的柔和光泽，棉的保暖性和良好的亲肤性等优良性能，其加工工艺亦是纺织行业内研究的焦点。

关键词：大豆蛋白纤维；理化性能；工艺

1 前言

再生蛋白质纤维是从天然牛乳或植物(如花生、玉米、大豆等)中提炼出的蛋白质溶液经纺丝而成的，可分为再生植物蛋白质纤维与再生动物蛋白质纤维 。再生蛋白质纤维的研究可追溯到19世纪末期。其研究方法有两种：一种是将蛋白质溶液与其他高聚物材料进行共混纺丝，另一种办法是将蛋白质与其他高聚物进行接枝共聚。前一种方法属于机械混合，后一种方法属于化学结合。

大豆蛋白纤维是我国自主研制成功的一种新型的再生植物蛋白纤维．它取材于大豆榨油后的渣滓豆粕。其生产原理是将豆粕水浸、分离，提取球状蛋白质，通过添加功能性助剂，与含腈基、羟基等基团的高聚物接枝、共聚、共混，改变蛋白质空间结构，制成一定浓度的蛋白质纺丝溶液，然后经湿法纺丝工艺制成纤维束。经醛化稳定纤维的性能后，再经过卷曲、热定型、切断，即可生产出各种长度规格的纺织用大豆纤维。大豆蛋白化学组分为“多缩氨酸”，以谷氨酸、天冬氨酸、亮氨酸、精氨酸为主的18种氨基酸组成，与水溶性聚乙烯醇(PVA)共混后以甲醛做交联剂进行缩醛化处理成为不溶性纤维。纤维中的聚乙烯醇与大豆蛋白分子间产生交联反应，以氢键、酯键等形式组合成新型纤维。由于两者质量比的差异，大豆蛋白分子在纤维中是呈分散相分布(或称海岛状)，而PVA则呈连续相，表皮层表现为PVA。因此，在物理性能方面，大豆蛋白纤维的单纤断裂强度在3.0 cN/dtex以上，比羊毛、棉、

蚕丝的强度都高，仅次于涤纶等纤维。但它的断裂伸长率较低，密度小，回潮率也比羊毛、蚕丝低。大豆蛋白纤维的表面摩擦系数较低，纺纱时需加入一定的纺织油剂。它的比电阻接近蚕丝，明显小于合成纤维，对后面的纺织加工及服用有利；其化学性能，大豆蛋白纤维除在浓酸中会分解和不稳定外，对一般的溶剂和稀碱溶液都是稳定的。它的耐酸性能良好，但是耐热性能较差；其染色性能，大豆蛋白纤维本身为淡黄色，它可用酸性染料、活性染料染色，特别适用活性染料染色。产品颜色鲜艳而有光泽，同时耐日晒、汗渍牢度好。此外，大豆蛋白纤维含有多种人体所必需的氨基酸，与人体皮肤的亲和性好，具有良好的保健作用。在大豆纤维纺丝工艺中加入定量有杀菌消炎作用的中草药与蛋白质侧链以化学键相结合，药效显著持久，避免了用后整理方法开发功能性棉制品效能难以持久的缺陷[1-4]。

当然，同样由于大豆蛋白的结构特性，大豆蛋白纤维在生产工艺和开发利用中也有一些瑕疵。大豆蛋白纤维表面光滑，纤维间的抱合力差；质量比电阻较高，静电现象比较严重，易缠绕机件。另外，大豆蛋白纤维强力虽大，但存在较大的强力不匀，这样在纤维纺纱过程中会给纺纱带来一定的难度。纤维的卷曲率低．卷曲恢复率低，使纤维在纺纱过程中拉直后不易恢复到原来的状态．而使纤维的抱合力变小，降低了纤维的可纺性。这就直接造成了纺纱难度的增加。并且，大豆蛋白纤维对生产过程中温度的

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要求也非常严格，近乎于苛刻。温度过高纤维容易损坏， 而温度不够又无法达到生产的要求。同时，大豆蛋白纤维在下游的印染行业也遇到了技术上的瓶颈。大豆蛋白纤维自身呈米黄色，目前存在的漂白方法，甚至已经用于工业化生产的漂白工艺，无论是还原漂白还是氧化漂白，或者是还漂与氧漂的结合，都无法消除纤维固有的米黄色。因而对大豆蛋白纤维的染整加工产生影响，限制了大豆蛋白纤维染色品种的多样性。也正因为大豆蛋白纤维本身所固有的米黄色所限制，而导致浅色产品色泽暗淡，又由于纤维自身染座较少的缺点，使大豆蛋白纤维不易染出深浓的颜色，有的染料染色上染百分率虽然较高，但牢度不太理想或匀染性较差[5]。

目前，大豆蛋白纤维的开发以服用为主。大豆蛋白纤维可与其他纤维如羊绒、抗静电纤维混纺，开发混纺纱，从而开发更多的相关面料。另外，大豆蛋白纤维还可用于婴儿用品、装饰用品及披肩等产品。近年来，针对大豆蛋白纤维的理化性能、生产加工以及大豆蛋白纤维与其他纤维混纺的工艺等方面也有相关报道。

巾、棉大豆蛋白毛巾、棉竹浆毛巾、棉木浆毛巾的性能进行了测试。通过测试毛巾的吸水性、蓬松度、色牢度、脱毛率、拉伸断裂强力，再通过模糊综合评判的方法对5种毛巾的综合性能进行了分析，并指出棉大豆蛋白综合性能较纯棉的综合性能好。赵晓芳[9]使用平纹、斜纹、缎纹3种组织的织物，通过测试其透湿量、透气率、磨损率，经数据统计得出比较，大豆蛋白纤维织物组织不同，织物的性能存在很大的差异。从透气性能来看，突出表现为缎纹的透气性明显大于平纹和斜纹。在耐磨性能上，平纹织物耐磨性能好，而且不易起毛起球；斜纹织物耐磨性能最差，易起毛起球；缎纹织物耐磨性能一般，特别容易起毛，纹路易于变形。杨庆斌[10]等人采用各种不同试验仪器对5种不同混纺比例的大豆蛋白纤维/棉混纺针织物的保暖性能、透湿性能、导热性能、冷暖感、透气性能、浸润性能等进行了测试分析，研究了大豆蛋白纤维/棉混纺针织物的热湿舒适性能与混纺比之间的关系。其结果表明，随着大豆蛋白纤维含量的增加，大豆蛋白纤维/棉混纺针织物的导热系数逐渐增加，保温性逐渐下降，接触凉爽感越来越好。随着大豆蛋白纤维含量的增加，大豆蛋白纤维/棉混纺针织物的透气性变差，大豆蛋白纤维/棉混纺针织物的导水性能随着提高。

2.2 大豆蛋白纤维在纺织中的应用

吴卫清[11]等人针对大豆蛋白纤维生产中质量的不稳定性，分析了其工艺过程，并结合实际对工艺进行了自动化改造，成功将DCS（分散控制系统）用于大豆蛋白纤维的生产，稳定了各工序质量，降低了大豆蛋白纤维的生产成本。顾煜[12]分析了大豆蛋白纤维纺纱的工艺配置和生产中容易产生的问题，认为大豆蛋白纤维在纺纱过程中必须重点掌握原料预处理方法和克服梳棉棉网成条难点，在生产过程中应重点控制好纤维预处理工作和梳棉工序的工艺配置，减少纤维损伤，防止飞花纱疵。摆慧杰[13]开发了18tex 60/20/20大豆蛋白纤维/绢丝/羊绒混纺纱，亦对粗纱前罗拉速度参数进行了优化试验，纺制出了质量优良和服用性能较好的混纺紧密纱。其所选的大豆蛋白纤维、羊绒、绢丝的性能指标见表1，其参数优化中并条工艺参数见表2。

表1 大豆蛋白纤维、羊绒、绢丝的性能指标

项 目纤维细度断裂强度/cN•dtex-1

伸长率/%回潮率/%平均长度/mm质量比电阻/Ω•g•cm-2

大豆蛋白纤维1.27dtex5.1158.6382.14×1010

羊绒15.1μm2.5435.615319.4×109

绢丝2.21dtex3.22011386.37×109

2 大豆蛋白纤维的相关研究进展

2.1 大豆蛋白纤维分子结构及其大豆蛋白纤维织物的性能2.1.1 大豆蛋白纤维的分子结构

姜岩[6-7]等人对大豆蛋白质纤维(PVA-SPF)的聚集态结构进行了研究，认为聚乙烯大分子呈平面锯齿形构象。而大豆蛋白大分子在纺丝前的处理过程中已经变性，由α螺旋转变为直线形的β链构象，并共同砌入纤维；由于二组分大分子均带有较多的极性基团，在大分子之间可能形成多种键合，同时PVA-SPF成纤后进行的缩醛化处理在二组分大分子之间形成了化学交联，故而可以认为PVA-SPF的聚集态结构是以直链形大分子网状结构为主体的聚集态结构，并通过X射线衍射图证明，PVA-SPF大分子的结晶能力较弱，二维空间排列有序的向列结晶能力较强。之后姜岩等还对大豆蛋白质纤维(PVA-SPF)的形态结构、共混结构以及各级原纤结构进行了研究，PVA-SPF的横截面呈多种不规则的非圆形，纵向表面较光滑，伴有某些条纹和沟槽。与一般湿法纺丝成纤的结构不同，PVA-SPF不呈皮芯结构，只有0.2μm左右的表皮层，应视为全芯层结构。在共混结构中大豆蛋白呈分散相，聚乙烯醇呈连续相，分散相的分布是随机的、均匀的，但纤维的表皮层是聚乙烯醇组分构成的；在各级原纤结构中，PVA-SPF存在着明显的巨原纤结构，直径为1μm左右。2.1.2 大豆蛋白纤维织物的性能

刘晨[8]等针对市场上常见的纯棉毛巾、棉Modal毛

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表2 并条工艺参数

工序头并二并

定量/g•(5m)-1

1717

并合数88

总牵伸/倍88

后区牵伸/倍1.781.3

温度/℃20~2520~25

相对湿度/%75~8075~80

讨。瞿才新[16]采用CF五叶涤纶长丝与大豆蛋白氨纶包缠纱交织生产的织物，得到了产品导湿性好、贴体舒适、伸展自如、符合休闲面料要求的面料，其保形性和机械性能也较好。祝来燕[17]等人对大豆蛋白纤维的染整工艺做出了一些改进，克服了大豆蛋白纤维的一些缺点，用将大豆蛋白纤维纱与再生纤维素纤维纱交捻或交织的办法，以克服大豆蛋白纤维的“蜡滑感”；用先尿素处理再氧漂的办法，可提高漂白的白度，解决大豆蛋白纤维先天“发黄”，用双活性基活性染料变温染色的方法，可提高染料上染率，解决了大豆蛋白纤维染色性差的缺点。其工艺改变之后的效果比较见表3。

杨保国[14]等人研究了羊绒和大豆蛋白纤维混纺纱在人力织机上批量生产羊绒披肩的方法，并经过试验认为羊绒50%、大豆蛋白纤维50%时，既不失羊绒的手感和质地，又具有较高的经济性。赵博[15]开发了芦荟粘胶纤维和大豆蛋白纤维混纺纱小提花产品，对芦荟粘胶纤维和大豆蛋白纤维的性能特点，以及纺织过程中存在的问题做出了探

表3 变温工艺染色与常规工艺染色效果比较

工艺方法

染料名称凯斯柯唑K-BF丽华实蓝CA凯斯柯唑K-BF丽华实蓝CA

色深DL58.458.559.3860.38

皂洗色牢度

变色443~43~4

布沾色3~4444

毛沾色44~544

摩擦色牢度干4~54~544

湿4443~4

常规法

变湿法

[6] 姜岩，王宝东，王业宏，等．大豆蛋白质纤维的结构

3 结语

大豆蛋白纤维作为由我国纺织科技工作者自主开发，具有完全知识产权的人造纤维。因其特殊的理化性能，大豆蛋白纤维在许多方面都有着其显著的优点。大豆蛋白纤维主要原料来自于自然界的大豆，因此具有相当丰富的原料资源和低廉的原料成本，不会对自然界造成掠夺性开发。在可以预见的将来，随着工艺的不断改进和成熟，含有大豆蛋白纤维的各种面料会越来越多。大豆蛋白纤维的纺织品将会发展成为成本低、附加值高的产品，为越来越多的客商所青睐。针对目前欧美等国家不断提高纺织品进口环保标准的情况，该产品是新世纪名符其实的绿色产品。

参考文献：

[1] 李义有.大豆蛋白纤维及其织物的性能特点[J].纺织学报，2004，25(6)：31-32.

[2] 官爱华，张健飞，张春娟.新型再生蛋白质纤维[J].合成纤维，2006（6）：24-27.

[3] 祝来燕，周美叶，董绍夏，等.大豆蛋白纤维理化性能及其利用[J].丝绸，2008(11)：43-44.

[4] YANG Qing-bin， SUN Ya-ni，TIAN Lin，et al. Mechanical Behavior 0f Soybean Protein Fibers [J].Journal of Donghua University(Eng．Ed．)，2009，26（1）：85-88.[5] 程醉．何时让人看得懂：大豆蛋白纤维行业乱象[J] ．中国纤检，2010(15)：36-38.

研究(Ⅱ)：聚集态结构[J].纺织学报，2005，26(1)：30-32.[7] 姜岩，王宝东，章欧雁，等．大豆蛋白质纤维的结构研究(Ⅲ)：共混结构[J].纺织学报，2005，26(2)：51-58.[8] 刘晨, 徐秀娟, 田伟，等．五种毛巾综合性能研究[J].棉纺织技术，2011，39(4)：226-229.

[9] 赵晓芳．织物组织对大豆蛋白纤维机织物的性能影响[J].广西纺织科技，2009，38(1)：29-30.

[10] 杨庆斌，田琳，窦玉坤，等．大豆纤维/混纺针织物的湿热舒适性研究[J].青岛大学学报(工程技术版)，2009，24(3)：59-63.[11] 吴卫清，蔡建南．DCS控制对大豆蛋白纤维生产的影响[J].江苏纺织，2011(4)：55-57.

[12] 顾煜.11.8tex赛络纺大豆蛋白纤维纱线的开发[J].产品设计与开发，2009，37(8)：26-38.

[13] 摆慧杰.大豆蛋白纤维／绢丝／羊绒半精纺紧密纱的开发[J].上海纺织科技，2010，38(9)：15-17.

[14] 杨保国，凌志浩.羊绒／大豆蛋白纤维披肩在人力织机上的生产[J].上海纺织科技，2009，37(1)：10-11.

[15] 赵博.芦荟纤维/大豆蛋白纤维混纺纱小提花面料的开发[J].现代丝绸科学与技术，2011(3)：87-89.

[16] 瞿才新．多功能大豆蛋白纤维弹力休闲面料的开发[J].产品设计与开发，2010，38(11)：34-35.

[17] 祝来燕，陈志刚，王雷，等．大豆蛋白纤维产品的加工技术[J].染整技术，2009，31(6)：32-34.

（作者单位：贵州省纤维检验局）

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