1、 1 毕业设计 开题报告 纺织工程 丝胶对纯涤纶织物的改性研究及性能分析 一、 选题的背景、意义 蚕丝主要由内层的丝素和外层的丝胶两部分组成，其中 丝胶占整个蚕茧质量的 20% 25%1，对丝素起到保护和胶粘的作用。 丝胶是一种球状蛋白 ， 相对分子质量为 1.4 31.4万 ， 由 18 种氨基酸组成 ， 其中丝氨酸 、 天门冬氨酸和甘氨酸含量较高 ， 相对质量分别达到 33.43%、 16.71%和 13.49%【 2】 。并且在组成丝胶的肽链中含有较多的氨基、羟基和羧基等官能团，因此丝胶中极性侧链氨基酸占 74.61%， 从而丝胶表现出良好的水溶性和吸 水性 2。 近些年，随着人们对丝胶
2、的深入研究发现 ， 丝胶是一种功能和效能兼优于丝素的天然动物性蛋白质，其具有以下功效 3： (1）生物适应性、保湿性 丝胶的氨基酸组成和人体皮肤的保湿成分非常相似； (2）抗菌、消臭效果 丝胶分子量高； (3）保持肌肤，具有外部刺激的隔断效果 紫外线吸收作用； （ 4）美白效果 抑制黑色素的形成； (5）抗氧化作用 抑制活性氧的形成； (6）降低血液中胆固醇、降低血糖值的作用、改善便秘、改善肝功能的效果。 但是在当前的制丝工业，由于制丝及纺织工艺的需要，蚕丝纤维只使用了丝素 ，而占生丝重量 20% 25%的丝胶却在精练阶段被去除 ， 并随废水一起排放。并且当前国内外对蚕丝的研究还是主要集中在丝
3、素的应用开发方面，对丝胶的开发运用研究还相对较少，因此丝胶的回收再利用就相对落后。但基于丝胶的独特功效和可持续发展战略，使得对氨基酸含量丰富的丝胶进行回收并加以高值利用成为一个必然的发展趋势。 涤纶织物因其坚牢、挺括、抗皱、免烫、耐磨性好、尺寸稳定、保形性好、耐日光性好、易洗快干等优良性能，得到了迅速的发展，被广泛用于服装、装饰、产业等领域，使其产量在合成纤维中位居首位。但涤纶织物由于 PET 分子 结构紧密，分子内部亲水性基团含量甚少，使其吸湿性差、染色性能差，并且在服用过程中易产生静电，这些都严重制约了涤纶织物在纺织服装行2 业中的应用 4。为了克服涤纶的缺点，改善其服用性能，近年来已有国
4、内外学者利用物理和化学的方法对普通涤纶进行了多种改性处理研究。 鉴于以上原因，利用丝胶对纯涤纶织物进行天然改性处理，在改善纯涤纶织物服用性能的同时，还将从源头上削减丝绸业废水的污染量，在大力倡导经济可持续发展的时代背景下，将具有非常好的研究价值和发展前景。本研究将主要围绕丝胶的提取以及丝胶对涤纶织物的改性研究等方面进 行探讨。 二、 相关研究的最新成果及动态 2.1 丝胶回收技术现状分析 目前我国对制丝废水中丝胶蛋白回收的价值尚未得到足够的关注 ， 进行工业化回收丝胶蛋白的工厂很少，但从环保和经济效益的角度来考虑 ， 对丝胶蛋白进行回收不仅能降低水的污染程度 ，而且通过对丝胶蛋白的再利用可进一
5、步提高缫丝厂的经济效益。根据回收丝胶目的和应用的不同 ， 可采用以下不同的回收方法 5。 （ 1） 酸析法 酸析法是丝胶回收中最常用的方法 ， 它依据丝胶蛋白的两性性质 ， 通过调节溶液 PH 值来达到提取丝胶的目的。 此法的优点是工艺流程比较简单 ， 回收的丝胶相 对比较纯净 ， 回收所需成本低 ， 缺点是回收率不高 ， 大约为 40%左右 ， 而且对设备耐酸性要求较高 ， 且丝胶中含有 HCl 或 NaCl 等 ， 用作医药原料受到限制 ， 工业运行中这种回收方法并不经济 ， 可操作性不强。 （ 2） 化学混凝法 它依据丝胶蛋白的胶体性质 ， 在丝胶蛋白质废水中加入絮凝剂如聚合 Alcl3
6、、明矾和 CaCl2饱和溶液等以破坏蛋白质胶体溶液的稳定 ， 从而使丝胶蛋白沉淀、分离。 这种回收方法的优点是沉淀所需时间少 ， 工艺方法简单 ， 设备投资少且回收成本低。但由于丝胶纯度和回收率的限制 ， 可工业化的程度一般。 （ 3） 有机溶剂沉淀法 它利用乙醇或丙酮等有机溶剂来破坏蛋白质胶粒的水化层 ， 从而使蛋白质从溶液中沉淀下来。经这种工艺提纯的丝胶粉绝大部分颗粒溶性较好 ， 且纯度较高 ， 回收的丝胶应用范围广 ， 但在丝胶回收中要注意防止丝胶蛋白的变性。由于处理成本较高 ， 所以此法只适用于浓缩后的丝胶溶液的进一步提纯。 （ 4）离心法 3 含丝胶蛋白的废水属胶体溶液 ， 由于废水
7、中丝胶颗粒和水的质量不同 ， 受到的离心力大小也不同 ， 因此经高速离心机作用后 ， 将废水的胶体层与水层分开从而达到分离的目的。 此法适合于已沉淀下来的丝胶与水的分离 ， 未经沉淀的丝胶废水用离心机无法高效地回 收丝胶 ， 回收运行费用不高 ， 但回收丝胶的纯度和回收率都很低。 （ 5） 超滤法 丝胶蛋白质分子量大 ， 依据膜表面孔径筛分机理、膜孔阻的阻滞机理和膜面及膜孔对粒子的一次吸附机理 ， 丝胶蛋白几乎不能穿过半透膜 ， 从而达到提纯丝胶蛋白的目的。 此种方法的优点是： 1） 可选择不同的膜孔径 ， 对丝胶蛋白质进行选择性地过滤回收； 2) 回收丝胶的纯度较高 ， 且回收率高达 90%
8、以上。但超滤法的缺点是设备成本高 ， 且要定期对膜进行清洗和更换。 （ 6）冰冻法 此法依据蛋白质溶液在温度下降时会凝结成冻胶状态产生凝胶的特点，使废水中原来分散的蛋白质颗 粒开始彼此连接起来 ， 形成复杂的网状结构 ， 以絮凝状沉淀形式把丝胶颗粒从胶体溶液中分离出来。 冰冻法回收丝胶的优点是 :工艺流程简单 ， 设备投资少 ， 且回收率比较高 6， 工业化推广难度不大。但是回收的丝胶蛋白分子量分布范围 大 ， 纯度不高。 并且已有相关研究得出冰冻法提取柞蚕丝胶蛋白的最佳工艺是：蚕丝脱胶液 PH=7，在 -20冰冻 13h， 此时回收率能达到 58%；而提取家蚕丝胶的最佳工艺是：蚕丝脱胶液 P
9、H=7，在 -20冰冻 11h，回收率可达 75%。 鉴于冰冻法实验设备少，工艺流程短，回收率高等优点，本研究采用冰冻法进行 丝胶蛋白的提取研究，通过设计正交实验得出冰冻法提取丝胶蛋白的最佳温度、时间、 PH 值、 Na2CO3 浓度等工艺参数。 2.2 涤纶织物的碱减量处理研究 涤纶是聚酯纤维的商品名称，聚酯纤维具有强度高、弹性回复性能好等优点，但其吸湿性和透气性较差，如果作为服用面料，涤纶织物的穿着舒适性就不容乐观。于是，国外学者开始研究将丝胶固着在涤纶织物或其他纤维上，国内已有学者将丝胶涂覆在涤纶等纤维上，但未见将丝胶涂覆在涤纶织物上的有关报道。由于涤纶大分子上极性基团极少，如何将丝胶涂
10、覆在涤纶纤维或涤纶织物上，一直是问题的难点所在 7。在丝胶处理涤纶的过程中，由于涤纶表面光滑，丝胶较难被涤纶吸附，为此需对涤纶织物进行碱减量处理。碱减量处理即涤纶织物在 NaOH， 1227 表4 面活性剂的混合溶液中进行处理。经碱减量处理后的涤纶纤维表面凹凸不平，产生孔洞，以使丝胶进入纤维内部的孔洞中，较为容易地附着在涤纶织物上。 涤纶材料表面的变化是碱减量改性处理的一个结果 当处理所用时间更久、浓度更大、温度更高、浴比更小时，材料表面的微腔和微裂纹将会扩大 8。碱减量处理应严格控制 NaOH 浓度，否则 NaOH 浓度过高会使涤纶强力下降程度过高，影响织物性能。 2.3 丝胶改性涤纶织物现
11、状分析 蚕丝的外层丝胶易溶解、中层不易溶解、内层难溶解 9。将丝胶特有的功能性如何用于改善涤纶等合成纤维性能的试验进行了探讨。将水溶性的丝胶直接固着在涤纶上 ， 并保持耐其洗性比较困难。目前，提高耐洗性的方法主要有以下几种：采用丝胶和其它树脂以及粘合剂混合的方法、预先改性纤维表面的方法、 二异氰酸酯交联丝胶的方法以及 添加固着剂处理的方法。下面以具体实例加以介绍。 2.3.1 丝胶和其它树脂以及粘合剂混合的方法 （ 1） 环氧化合物作交联剂，丝胶改性涤纶织物 丝胶改性涤纶织物采用浸渍法，随着 浸渍时间的增加，织物的增重率增加较快。随着浸渍温度的提高，织物的增重率逐渐增加，当温度在 55 以上时
12、，织物的增重率上升较快，温度在 75以上时，增重率增加迅速。 在交联剂 EDF-808的作用下，将丝胶涂覆于涤纶织物上，丝胶能较均匀地涂覆在经碱减量处理的细旦涤纶织物上，且有一定涂膜牢度，经 6次洗涤后，溶失率稳定在 2%左右。经碱减量处理的涤纶织物用丝胶涂覆后，吸湿性得到了较大改善，透气性也有较大提高，手感比未处理织物的柔软 7。 （ 2） JCH作交联剂改性涤纶织物 用丝胶溶液对涤纶纤维进行包覆处理 ， 纤维的增重率 随着丝胶浓度的增加而提高经碱减量处理后进行丝胶包覆处理的纤维增重率要略高于未经碱减量处理的纤维 ， 但增重率提高效果并不显著。通过 JCH使丝胶大分子之间产生交联反应 ， 可
13、在纤维表面形成较牢固的丝胶包覆层 ， 由于它的存在 ， 服用过程中直接与人体皮肤接触的将是丝胶蛋白质而非涤纶纤维。丝胶包覆仿真丝处理后的涤纶织物具有类似于真丝织物的服用凉爽性 9。 （ 3）用树脂（二羟甲基乙二醛单脲）固着丝胶改性涤纶织物 10 在 1.5%浓度的丝胶水溶液中 ， 如 25%乙二醛系树脂和（对树脂重）触媒，将涤纶织物浸渍在上述组成的树脂溶液中 ， 用轧车二浸二轧和未整理织物相比 ， 如经树脂整理，则织物的回潮率5 降低，但丝胶固着在纤维上的织物，其回潮率降低得不多，可认为是丝胶固着在纤维上的效果。 2.3.2 预先改性纤维表面的方法 11 预先用胺处理涤纶织物后 ， 让纤维表面
14、上的氨基和丝胶反应的方法及在有微坑穴的涤纶表面上涂层丝胶的方法以获得改性后的涤纶织物。 2.3.3 二异氰酸酯作交联剂改性涤纶织物 堀等人成功地采用让从卵白和牛奶中得到的乳酪乳清和二异氰酸酯反应 ， 赋予疏水性 ， 增大 其分子量 ， 使反应产物溶于有机溶剂 (二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺 )。 因此，神谷淳等人用二异氰酸酯交联丝胶 ， 得到能溶于有机溶剂的改性丝胶 ， 并用它作为涤纶的涂层剂。用二异氰酸酯使丝胶交联进行改性 ， 可使其溶于 DMF。若在交联时添加乳酪乳清 ， 其涂层附着量最大 ， 可提高30 %。而且 ， 提高乳酪乳清的反应比率 ， 所得的改性丝胶不仅易溶于水，也易溶于 DMF
15、。可以认为 ， 这种改性丝胶即使不用树脂和粘合剂 ， 也能有效地作为耐洗性好的涂层剂。 2.3.4 添加 戊二醛 固着剂 改性涤纶织物的研究 戊二醛是无色或浅黄色的透明油状液体，具有特殊刺激性臭味。它是一种优良的蛋白质交联剂，最近的树脂整理研究指出，用戊 二醛加工而成的整理剂达到了目前无甲醛整理的最高水平，可见戊二醛作为交联剂有着独特的优点 12。 用戊二醛进行丝胶固着处理，固胶牢度随戊二醛溶液浓度的增大而提高。若要织物不产生明显的着色现象，戊二醛浓度应不超过 l 。随着反应温度的升高，固胶牢度也随之增大，为了防止丝胶发生水解，高温反应的温度应定为 50摄氏度左右13。 一浴法：丝胶、戊二醛配
16、成溶液，使丝胶处理与固着一步完成。处理液中含有丝胶粉、戊二醛、亚硫酸氢钠。 二浴法：先在丝胶溶液中处理，再在戊二醛溶液中固着。处理液中含有丝胶粉，固着液中含有戊二醛和亚 硫酸氢钠。 一步法中织物的增重率明显比两步法要好。这主要是由于一步法是丝胶的吸附与固着同浴进行，在吸附的同时固着过程也在进行；而两步法在吸附完全以后，再进行固着，不可避免地造成了丝胶的溶失，导致增重率偏低 4。 本课题采用丝胶、戊二醛一浴法对涤纶织物进行改性处理，该法工艺流程简短、设备要求低、改性处理效果好。经丝胶处理后的涤纶织物服用性能得到较好的改善，弥补了涤纶织物本有的一些缺点。 2.4 丝胶改性后的涤纶织物性能研究 6
17、通过交联剂使丝胶大分子之间产生交联反应，反应后丝胶大分子之间形成复杂的空间网状结构， 由反应前主要靠氢键联接变成主要由共价键联接，而共价键的键能较氢键大，因而交联反应后可在涤纶纤维表面形成较牢固的丝胶包覆层，使处理后的涤纶织物具有类似于真丝织物的服用凉爽性。树脂固着丝胶的涤纶织物性能，整理后织物回潮率，吸水性和染色性能都有所改变。 经碱减量处理的涤纶织物用丝胶涂覆后，吸湿性得到了较大改善，透气性也有较大提高，手感比未处理织物的软。 Pan 等用戊二醛作为交联剂，丝胶整理聚酯织物，处理后，聚酯织物的吸水性和抗静电能力都得到了很大的改善，大大提高了聚酯织物的服用性能，而且这些特性几乎不会随着洗涤时
18、 间的延长而变化 14。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法、技术路线及研究难点，预期达到的目标 1、 项目研究内容 本项目采用丝胶对纯涤纶进行改性处理，冰冻法提取丝胶的工艺、纯涤纶织物的预处理、丝胶整理和固着纯涤纶织物的技术进行了大量实验研究， 通过设计正交实验，筛选出各工艺的最佳工艺参数，将提取的丝胶整理涤纶织物，以获得 具有良好服用舒适性和易去污性能的改性涤纶织物。 在对涤纶织物整理并达到天然改性目的的同时，还可变废为宝，达到了资源节约的目的。主要研究内容有以下三方面： 1） 丝胶提取技术 的研究 普通蚕丝由丝 胶和丝素两部分组成，纺织加工时主要利用丝素而将大部分丝胶当做废水排放掉，本
19、项内容采用冰冻法从蚕茧下脚料中提取丝胶，通过设计正交实验，筛选出提取丝胶的最佳工艺参数。 2） 纯涤纶织物预处理技术的研究 采用 NaOH 对纯涤纶织物进行预处理，并用表面活性剂做催化剂，以获得涤纶纤维表面刻蚀效果好，且孔洞分布凹凸不匀的涤纶织物 。 3） 丝胶处理纯涤纶织物 技术的研究 采用丝胶和戊二醛的混合溶液处理涤纶织物，设计正交试验，筛选出最佳工艺参数，获得吸湿性、透气性等服用性能优良的涤纶织物，赋予 纯涤纶织物持久的柔软舒适风格 。 7 2、 拟解决的技术关键 （ 1）采用冰冻法从蚕丝下脚中提取丝胶的技术，并筛选出最佳工艺参数； （ 2） 纯涤纶织物的预处理技术 ； （ 3） 丝胶处
20、理纯涤纶织物 技术。 3、 实验流程及技术路线 4、 预期目标 （ 1）丝胶提取工艺条件 通过一系列的正交实验得出冰冻法提取丝胶的最佳工艺条件，包括试验温度、时间、浴比、浓度等，同时兼顾提取成本等因素，使提取工艺更经济。 （ 2）丝胶处理涤纶织物的工艺条件 首先对涤纶织物进行碱减量预处理，以使丝胶处理涤纶织物效果更好。经碱减量处理 之后的涤纶织物进行丝胶整理，采用戊二醛、丝胶的混合溶液整理涤纶织物，设计正交实验，筛选出该工艺的最佳工艺参数，包括整理时间、温度、丝胶浓度等。 5.研究难点 由于实验条件有限，在实验过程中有些实验未能达到较好的处理效果。本实验实验量大，因此在丝胶处理涤纶织物的过程中
21、，并未对丝胶、戊二醛整理涤纶织物的一浴法与二浴法进行比对，尽参考文献选择一浴法进行实验。另外，实习与实验时间冲突，时间较紧，对于一些实验未能作蚕丝下脚 冰冻法提取丝胶 丝胶、戊二醛处理涤纶 纯涤纶织物预处理 涤纶性能测试 冰冻法提取丝胶 8 更为详尽的探讨，亦存在某些未尽之处。针对上述困难，为使研究更准确有效，在各项实验过程中，严格注意实验药品 的用量，处理时间、处理温度等参数的控制。另外，针对时间紧的问题，尽可能的抽出空余时间多做实验，做好实验。 四、论文详细工作进度和安排 2010年 10月 18日 2010年 10月 30日：确定毕业论文题目，完成选题； 2010年 10月 30日 20
22、10年 12月 30日：完成论文参考文献的查阅、外文翻译、文献综述、开题报告； 2011年 01月 04日 2011年 03月 28日：完成论文的准备、初稿撰写； 2011年 03月 31日 2011年 05月 14日：毕业论文修改和定稿上交； 2011年 05月 15日 2011年 05月 25日：毕业论文评阅； 2011年 05月 26日 2011年 05月 30日：毕业答辩及成绩评定。 五、主要参考文献 1 Jin-Hong Wu,Zhang Wang,Shi-Ying Xu. Preparation and characterization of sericin powder extr
23、acted from silk industry wastewaterJ. Food Chemistry, 2007, 103 (4):1255-1262. 2 陈华蚕丝丝胶蛋白的结 构、性能及利用 J功能高分子学报 ， 2001， 14（ 3）： 344-347. 3 何忠琴天然蛋白质蚕丝丝胶的回收和有效利用技术 J国外丝绸， 2004，（ 6）： 3-6. 4 张吉升 涤纶织物的丝胶改性和染色工艺研究 J 应用纵横， 2010，（ 7）： 44-47. 5 何中琴 丝胶的化学修饰及其用作涂层剂在涤纶上的应用 J国外丝绸， 2007，（ 2）： 1-3. 6 李庆春蚕丝丝胶蛋白的回收及开发应
24、用 J纺织科技进展， 2007，（ 2）： 5-7. 7 马骏蚕丝丝胶蛋白提取方法的研 究 J安徽农业科学， 2005， 33（ 4）： 674-675. 8 张雨青蚕丝脱胶方法的比较分析 J蚕业科学， 2002， 28（ 1）： 75-77. 9 何中琴，杨百春 用树脂固着丝胶的涤纶织物牲能 J国外丝绸， 2001，（ 3）： 32-34. 10 Prorokova N. P. and Vavilova S. Yu. The modifying effect of ammonium nitrate and sodium hydroxide on poly（ ethylene terephth
25、alate） materialsJ. Food Chemistry, 2004, 36 (6):413-415. 11 龙昊 ， 潘福奎 . 戊二醛固着茧衣丝胶的工艺研究 J毛纺科技 ， 2001， （ 5） ： 31-33. 12 潘福奎 丝胶在纺织品加工中的应用研究 D上海：东华大学， 2005. 13 谢瑞娟，邢铁玲，谢丽莹 . 丝胶蛋白用于涤纶织物改性的研究 J丝绸， 2002，（ 11）： 14-16. 14 傅稚琴涤纶表面包覆丝胶仿真丝纤维的研究 J纺织学报 ， 2001， 22（ 1） ： 33-35. 9 15 杜孟芳 蚕丝蛋白涂复涤纶织物的研究 D杭州：浙江大学 ， 2006.
