牦牛絨纖維拉伸改性方法

專利名稱：牦牛絨纖維拉伸改性方法
技術領域：
本發明是涉及天然纖維領域，特別是一種牦牛絨纖維改性方法。
背景技術：
經檢索有關資料，澳大利亞、日本、美國等發達國家羊毛拉伸技術已趨于成熟，而我國則起步較晚，目前尚處于研究和中試階段。澳大利亞聯邦科學工業研究所和國際羊毛局共同開發了羊毛拉伸細化技術，并加工出纖維產品，其注冊商標為“OPTIM”。該技術緩解了超細羊毛資源短缺問題，既保持了羊毛原有優點，又克服了其不足，是所有毛纖維拉伸技術中最為先進合理的。日本可樂麗公司在羊毛拉伸技術研究上取得了較大的成功，并利用蛋白酶對羊毛進行改性處理。經酶處理后，滑爽性、白度、柔軟性和豐滿性均有較大的提高。而后在濕熱狀態下，拉伸纖維平行排列的毛條以制成拉細羊毛。此方法不僅能使纖維變細，而且使大分子鏈的排列更加整齊，從而提高纖維的強伸性。美國已有關于羊毛拉伸技術的專利，認為羊毛可用交聯斷裂劑預處理使其膨脹，可用蒸汽或溶液進行加濕，其溫度在溫室到沸水之間，pH值在弱酸到酸性之間。處理后，纖維線密度減少了37.8％，強度提高了26.1％，其細化效果明顯。然而，由于牦牛絨為中國所特有纖維原料資源，國外基本沒有此方面的研究及相關理論。我國對羊毛拉伸細化技術也進行了大量研究，主要采用化學預處理將羊毛大分子鏈之間的交鍵打開，為羊毛由α型拉伸到β型創造條件。然后，采用物理拉伸，在濕熱條件下獲得定型的羊毛。同時，對牦牛毛拉伸細化技術也有相關報道，研究了牦牛毛纖維的拉伸率、捻度等因素對拉伸效果的影響，但尚未有成形的技術和理論。
牦牛絨纖維結構分析1、宏觀結構(1)毛叢形態牦牛絨毛叢形態可分為以下幾種●平頂型毛叢全由絨毛組成，長度在40mm左右，品質最好。這種類型毛叢為幼齡牦牛，尤以牦牛犢頸、肩部所具有；●微辮型毛叢纖維細度均勻，但比平頂型毛叢纖維要稍粗長，有不規則卷曲，頂部有微辮。一歲左右的幼齡牦牛多為這類毛叢，毛叢長度約為60～70mm；●小辮型毛叢毛叢的下部由絨毛組成，上部為粗毛和半細毛構成小辮型毛叢，長度90～100mm左右，多見于1歲以上牦牛的前軀部位；●大辮型毛叢絨毛很少，毛叢最下部有少量絨毛，基本由粗毛組成，毛叢長度較長。成年牦牛的后軀多半是這類毛叢。
(2)形態結構牦牛絨外觀顏色大多是黑色、褐色、少量白色和淺黃色。從牦牛身上剪下的毛被，由粗毛和絨毛組成。牦牛絨平均細度只有20μm左右，平均長度只有30mm左右。牦牛絨纖維粗而短，有少量不規則的卷曲，纖維易梳理伸直。由于卷曲度不大，抱合力較差，纖維硬度高，纖維品質長度較短，可紡性較差。牦牛絨切面呈圓形或橢圓形，可觀察到有色絨毛的色素沉積，大部分由鱗片層和皮質層組成，只含有及少數髓質層，其具體特點如下●鱗片層牦牛絨鱗片不規則且較模糊，包覆在毛干上，鱗片可見高度為5-23μm，鱗片厚度為0.3-0.5μm。鱗片邊緣較整齊光滑，磷片呈環狀緊密抱合。
●皮質層皮質層是纖維的主體，也是決定羊毛物理化學性質的基本結構單元，它是由細而長的角蛋白細胞沿毛纖維縱軸向緊密排列而成。皮質層由正、副兩種不同的皮質細胞組成。牦牛絨纖維中正、副皮質細胞呈雙峰分布，短粗的正皮質細胞的數量與細長的副皮質細胞數量的比例約為2∶1。正、副皮質細胞中的蛋白質在角質化的過程中會產生不對稱性收縮而形成的張力，這是毛纖維卷曲的主要原因。由于牦牛絨纖維中副皮質的數量少，所以牦牛絨纖維卷曲也相對少。
●髓質層由結構松散和充滿空氣的角蛋白細胞組成。牦牛絨隋質層的分布形態與綿羊毛相似，呈點狀髓或斷續狀髓排列。
2、微觀結構牦牛絨大分子是由二十幾種α-氨基酸以一定的方式排列而成的蛋白質纖維，具有四級結構。蛋白質的構象一旦發生變化，其性質就發生變化。
蛋白質的二級結構是由分子內或分子間氫鍵結合起來的，通過X射線衍射分析可知，蛋白質分子的多肽是呈右手螺旋結構，即α-螺旋結構。在螺旋中每個氨基酸單位之間的＞N-H與其相隔的第三個＞C＝O形成氫鍵＞C＝O…H-N＜，在螺旋的圈之間氫鍵其維持作用。這種螺旋結構在一定條件下能轉換為β構象，因此從理論上存在被拉伸的可能。
蛋白質的三級結構反映多肽鏈在空間的實際排列關系。各種纖維狀蛋白質并非一條單獨的α-螺旋鏈的簡單集合，而是由幾條長鏈相互糾纏而緊密的和在一起。三級結構的結合力是由肽鏈中氨基酸殘基上主鏈和側鏈的基團所提供，如＞C＝O與-NH間的氫鍵，酸性氨基酸和堿性氨基酸分子間形成鹽式鍵，疏水的非極性基團借分子間范德華力凝聚在一起形成疏水鍵，由胱氨酸構成的二硫鍵。鱗片中胱氨酸含量較高，相應的二硫鍵也較多，因此抵抗外界因素影響的能力也高，。在一定條件下，對牦牛毛進行改性處理，切斷部分交聯鍵，可提高大分子“柔軟度”，有利于拉伸纖維時產生長鏈位移。
蛋白質的四級結構是由兩條或兩條以上的具有三級結構的肽鏈構成，每條肽鏈作為一條亞基，通過氫鍵或靜電引力締合成蛋白質分子。在拉伸過程中，中斷亞基間交聯或減弱靜電引力，可使拉伸過程中的肽鏈移位和交聯重建。
牦牛絨由多種氨基酸縮合而成的鏈狀大分子構成，其含量最多的是硫氨基酸、胱氨酸、二羥基酸—谷氨酸、天門冬酸和二氨基酸－精氨酸。各氨基酸的含量如表1所示表1牦牛絨氨基酸含量對比

由于牦牛絨纖維化學結構中存在二硫鍵、鹽式鍵與氫鍵，肽鏈間由一定數量的二硫鍵相連形成網狀結構，并存在鹽式鍵和氫鍵使肽鍵保持穩定的空間結構。在特定條件處理下，分子形狀可以由α型轉變為伸長的β型結構，為牦牛絨制備成高附加價值的拉伸改性牦牛絨提供了理論依據。

發明內容
本發明是利用傳統的牦牛絨制備成高附加價值的拉伸改性牦牛絨，達到解決輕薄牦牛絨織物的原料問題的目的。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種牦牛絨纖維拉伸改性方法，是利用牦牛絨經以下步驟制成高支細牦牛絨a、預浸液處理用凈水清洗牦牛絨，除去雜質浮皮脫干，梳理成毛條；測量綁制毛條長度，安裝到兩個夾頭上；浸入拉伸預處理液10-30min，使毛條纖維充分潤濕。
b、加捻拉伸將毛條加上一定捻度，喂入假捻拉伸裝置，所加假捻的捻度為1.2-2.0捻/10cm，最適捻度為1.67捻/10cm；羅拉隔距為8-12mm，最適羅拉隔距為10mm；拉伸率為25-35％，最適拉伸率為30％；拉伸速度為15-25mm/min，最適拉伸速度為20mm/min。
c、加熱潤濕用蒸汽將加捻后的毛條加熱潤濕到80-90℃后開始拉伸。
d、一次定型將拉伸后的毛條放到一次定形液中，浸泡2-4min，最佳浸泡3min。
e、沖洗取出后用水沖洗2min。
f、二次定型沖洗后擠壓去水，再放入二次定形液中，浸泡1-3min，最佳浸泡2min；g、取出放入烘箱中烘干。
其中預處理液重量百分組成為重量含量36％的鹽酸 15-20NaCl 20-30水 55-65；預處理液最佳重量百分組成為重量含量36％的鹽酸 17NaCl 25
水 58。
一次定型液重量百分組成為NaClO 5-10NaCl 20-30水 65-75；一次定型液最佳重量百分組成為NaClO 6NaCl 25水 69。
二次定型液重量百分組成為NaHSO30.5-1.5重量含量17％的氨水 0.5-1.5水 97-99；二次定型液最佳重量百分組成為NaHSO31.0重量含量17％的氨水 1.0水 98。
所述的牦牛絨纖維拉伸改性方法中，假捻拉伸裝置是由上羅拉、下羅拉、假捻器、加熱器和編程控制器組成的密閉拉伸裝置，該裝置是由7組羅拉組成的6區假捻分體式拉伸裝置，即對纖維集合體實施假捻的裝置和拉伸的裝置單獨進行傳動。
在本發明所述的牦牛絨纖維拉伸改性方法中，采用包括拉力傳感器、位移傳感器的數據采集系統和數據處理ORIGIN軟件系統來控制拉伸過程，并通過編程控制器進行控制和熒屏顯示，能實時得出拉伸數據，以便調整拉伸工藝。其中拉力傳感器用于測試毛纖維束所受得拉力，由金屬箔式電阻應變計和彈性元件組成，其工作原理是通過非電量的電轉換方法，用高靈敏度的電阻應變計將纖維拉伸所受的力信號轉換成電信號；位移傳感器用于測試毛纖維束的伸長，動夾頭的位移是電感式直流位移傳感器，把模擬信號轉化成數字信號并放如計算機的內存區域，最后經計算機處理顯示結果。數據處理ORIGIN軟件系統包括兩大功能數據分析和繪圖。數據分析包括數據的排列、調整、計算、統計、頻率變換、曲線的擬合等各種完善的數學分析功能。數據準備好后進行分析時，只需選擇所要分析的數據，然后選擇相應的菜單命令即可。它采用直觀的、圖形化的、面向對象的窗口菜單合工具欄操作，不需要用戶編寫任何的程序代碼，帶給用戶最直觀、簡單的數學分析合繪圖環境，具有方便快捷準確的特點。牦牛絨纖維拉伸改性機理對拉伸細化而言，關鍵在于α-螺旋大分子和微原纖構象由α型拉伸至β型。從牦牛絨纖維大分子空間構象分析，對其拉伸細化在理論上是可行的。
(1)拆鍵機理從微觀角度分析，牦牛絨纖維有兩個基本的物理相態，即基質相和微原纖相，兩相的各自的親水區和疏水區成多層相間分布，如圖5所示。在缺乏疏水性拆鍵滲透劑的情況下，簡單地用親水性拆鍵滲透劑，會引起拆鍵不勻，會導致拉伸不勻和回縮過大。二相區的親水區(A，C)和疏水區(B，D)是呈多層相間分布的，當單使用親水區的滲透拆鍵劑時，滲透拆鍵助劑一般只能達到較外層的親水A區，很難達到里層的親水C區，更難觸及里層疏水區。因此，在拆鍵不充分的情況下拉伸，則會出現拉伸不勻。
(2)拉伸機理
a.分子構象變化牦牛絨纖維的基原纖，微原纖，巨原纖三級結構均是由最基本的氨基酸多肽α-螺旋大分子組成。對于拉伸而言，關鍵在于氨基酸中α型轉變為β型和微原纖大分子的滑移。有關資料表明，牦牛絨纖維在有潤濕條件下，當伸長率達到20％時，分子螺旋構像開始轉變；當伸長率達到35％時，轉變明顯；當伸長率達到80％時，則完全轉變為β構象。握持張力消失后，分子構象發生逆轉，最后可恢復到α-螺旋狀態。
b.分子之間結構塊滑移皮質層的正皮質由基原纖、微原纖和巨原纖三級原纖維構成，而副皮質由基原纖和微原纖兩級原纖構成。基原纖是由3個雙螺旋或2+2個多重復螺旋的α型大分子組成，微原纖結構模型為基原纖的各類組合，此間結構塊可以產生錯位、滑移。
微原纖結構塊之間也存在二硫鍵、氫鍵等交聯作用。在拉伸細化處理工藝中，改性劑會打開這些交聯作用，使毛皮質細胞中的微原纖結構塊能夠在拉力的作用下產生滑移，通過定形劑在新的位置重建交聯，使毛纖維拉伸變細。如果控制得當，預處理試劑只打開微原纖的交聯，拉伸使微原纖滑移部分增大，而纖維大分子的α型向β型轉變減少，則細化處理后的牦牛絨纖維將保持原毛的優良性能，從而能提高產品的質量。
為確保其延伸率，在拉伸細化時，要利用滲透劑和加熱方法，使其充分膨脹。在拉伸率為60％時，用還原劑和熱源進行定形，冷卻后用氧化劑使其形狀固定。拉伸時輔以捻度，使加捻應力集中于毛條中心，從而使纖維截面發生變形，形成異形截面。或在S-S鍵斷裂過程中，在纖維內部交聯劑殘存狀態下定形，這樣當它與未拉伸的纖維混紡時會因收縮而變得膨松。
(3)定型機理牦牛絨纖維鱗片層中有些區域相互聯系得較為緊密，排列得較為整齊，大分子之間依靠二硫鍵、鹽式鍵、氫鍵交聯形成一個緊密的網狀結構。因此，必須拆開這些大分子鏈之間的橫向鍵和氫鍵，使之在新的位置重新交聯并永久固定下來。
拉伸牦牛絨在經歷了高度拆鍵和高比例拉伸后，有很大的回縮趨勢，這對拉伸后保型(維持伸長率和細化率)是不利的。因此，有必要減少回縮趨勢，增進耐久定型程度。要獲得好的耐久定型度技術難度很大，原因是被高度拉伸的毛其內部積聚了較高的應力，具體表現在構型逆轉，胱氨酸開裂逆轉及重結晶逆轉等方面。
(4)定型過程中的化學反應定形過程主要是一個二硫鍵的拆散、重建及應力松弛的過程，其化學反應類型由反應環境介質的種類決定。
a.在蒸汽、水或堿性溶液中的反應二硫鍵的拆散 交鏈重建
b.在亞硫酸鈉或亞硫酸氫鈉存在下的反應可逆的亞硫酸酸解
交鏈重建
，
后來又有人提出了硫醇基-二硫鍵的交換理論，即因牦牛絨纖維中始終存在著少量的半胱氨酸剩基等硫醇基，且其數量隨著牦牛絨和還原劑、熱水、蒸汽或堿的反應而增加。
硫醇基—二硫鍵交換反應促使和穩定纖維定型作用，可用“拉鏈機理”來表示，即原纖維→伸長的纖維→交換反應→經交換達到穩定的纖維。
本發明的牦牛絨纖維拉伸改性方法，加工過程簡單，原料廉價易得、設備投資較低，加工過程和產品質量容易控制，設備具有結構簡單、占地面積小、使用方便、數據測量準確等特點。牦牛絨拉伸細化后，牦牛絨纖維顏色變淺，手感柔軟，剛性降低。本發明產品技術指標如下纖維細度本發明采用投影儀法測定牦牛絨纖維的細度，并對原毛和拉伸后的纖維直徑進行了對比，結果如表1。
表1拉伸細化前后纖維直徑變化

牦牛絨纖維拉伸細化直徑變化率φd＝(D1-D2/D1)×100％＝11.9％其中φd---纖維直徑的變化率；D1——拉伸細化前牦牛絨纖維的直徑；D2——拉伸細化后牦牛絨纖維的直徑。
通過實驗數據可知，拉伸后的牦牛絨纖維細度減少了接近3μm，直徑的變化率接近12％，細化效果明顯。
纖維長度拉伸后纖維長度采用梳片法測量。從根數和重量加權長度來看，拉伸細化后的纖維長度明顯高于原毛，結果如表2。
表2拉伸細化前后纖維長度變化

拉伸前后纖維長度的變化率(L2-L1/L2)×100％＝12.9％其中L1-—原毛纖維平均長度；L2-—拉伸毛平均長度。
纖維強伸性能拉伸細化處理后纖維細度變細，直徑減小，纖維的強伸性能也相應的有所改變。本發明中，按照GB/T4711-84《牦牛絨單纖維斷裂強力和伸長實驗方法》，采用LLY-068型電子單纖維強力儀對纖維強伸性能進行了測試，其主要指標對比如表3所示表3拉伸細化前后牦牛絨纖維強伸性能指標對比

掃描電子顯微鏡照片通過掃描電子顯微鏡照片(放大3000倍)對比可以看出，原毛纖維表面的鱗片層邊緣整齊光滑，基本上呈瓦片狀緊密覆蓋在毛干上，鱗片層結構緊密，這是由于鱗片外層是含二硫鍵較多的角質硬蛋白，結構堅硬。拉伸后，纖維表面結構較粗糙，鱗片層邊緣凸凹不平，且間距增大，并有部分被破壞的痕跡，這表明拉伸后其部分二硫鍵斷裂，蛋白分子鏈間的交聯減少，纖維的鱗片層變得松散。因此，拉伸后纖維表面形態發生了較大的變化，其強伸性能也因此有所改變。
下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明。


圖1為假捻拉伸裝置示意圖。
圖2為拉伸機數據處理工作原理圖。
圖中，1.上羅拉，2.下羅拉，3.假捻器，4.加熱器，5.編程控制器。
具體實施例方式
實施例1a、預浸液處理用凈水清洗牦牛絨，除去雜質浮皮脫干，梳理成毛條；測量綁制毛條長度，安裝到兩個夾頭上；浸入拉伸預處理液20min，使毛條纖維充分潤濕。
b、加捻拉伸將毛條加上一定捻度，喂入假捻拉伸裝置，所加假捻的捻度為1.67捻/10cm；羅拉隔距為10mm；拉伸率為30％；拉伸速度為20m/min。
c、加熱潤濕用蒸汽將加捻后的毛條加熱潤濕到80-90℃后開始拉伸。
d、一次定型將拉伸后的毛條放到一次定形液中，浸泡3min。
e、沖洗取出后用水沖洗2min。
f、二次定型沖洗后擠壓去水，再放入二次定形液中，浸泡2min；g、取出放入烘箱中烘干。
其中預處理液重量百分組成為重量含量36％的鹽酸 17NaCl 25水 58。
一次定型液重量百分組成為
NaClO 6NaCl 25水 69。
二次定型液重量百分組成為NaHSO31.0重量含量17％的氨水 1.0水 98；實施例2a、預浸液處理用凈水清洗牦牛絨，除去雜質浮皮脫干，梳理成毛條；測量綁制毛條長度，安裝到兩個夾頭上；浸入拉伸預處理液10min，使毛條纖維充分潤濕；b、加捻拉伸將毛條加上一定捻度，喂入假捻拉伸裝置，所加假捻的捻度為2.0捻/10cm，羅拉隔距為8mm，拉伸率為35％，拉伸速度為15mm/min；c、加熱潤濕用蒸汽將加捻后的毛條加熱潤濕到80-90℃后開始拉伸；d、一次定型將拉伸后的毛條放到一次定形液中，浸泡4min；e、沖洗取出后用水沖洗2min；f、二次定型沖洗后擠壓去水，再放入二次定形液中，浸泡1min；g、取出放入烘箱中烘干；其中預處理液重量百分組成為重量含量36％的鹽酸 15NaCl20水 65；一次定型液重量百分組成為
NaClO 5NaCl 30水 65；二次定型液重量百分組成為NaHSO30.5重量含量17％的氨水 0.5水 99。
實施例3a、預浸液處理用凈水清洗牦牛絨，除去雜質浮皮脫干，梳理成毛條；測量綁制毛條長度，安裝到兩個夾頭上；浸入拉伸預處理液30min，使毛條纖維充分潤濕；b、加捻拉伸將毛條加上一定捻度，喂入假捻拉伸裝置，所加假捻的捻度為1.2捻/10cm，羅拉隔距為12mm，拉伸率為25％，拉伸速度為25mm/min；c、加熱潤濕用蒸汽將加捻后的毛條加熱潤濕到80-90℃后開始拉伸；d、一次定型將拉伸后的毛條放到一次定形液中，浸泡2min；e、沖洗取出后用水沖洗2min；f、二次定型沖洗后擠壓去水，再放入二次定形液中，浸泡3min；g、取出放入烘箱中烘干；其中預處理液重量百分組成為重量含量36％的鹽酸15NaCl 30水55；一次定型液重量百分組成為
NaClO 5NaCl 20水 75；二次定型液重量百分組成為NaHSO31.5重量含量17％的氨水 1.5水 97。
權利要求
1.一種牦牛絨纖維拉伸改性方法，其特征在于是將牦牛絨經以下步驟制成高支細牦牛絨a、預浸液處理用凈水清洗牦牛絨，除去雜質浮皮脫干，梳理成毛條；測量綁制毛條長度，安裝到兩個夾頭上；浸入拉伸預處理液10-30min，使毛條纖維充分潤濕；b、加捻拉伸將毛條加上一定捻度，喂入假捻拉伸裝置，所加假捻的捻度為1.2-2.0捻/10cm，羅拉隔距為8-12mm，拉伸率為25-35％，拉伸速度為15-25mm/min；c、加熱潤濕用蒸汽將加捻后的毛條加熱潤濕到80-90℃后開始拉伸；d、一次定型將拉伸后的毛條放到一次定形液中，浸泡2-4min；e、沖洗取出后用水沖洗2min；f、二次定型沖洗后擠壓去水，再放入二次定形液中，浸泡1-3min；g、烘干取出放入烘箱中烘干；其中預處理液重量百分組成為重量含量36％的鹽酸 15-20NaCl20-30水 55-65；一次定型液重量百分組成為NaClO 5-10NaCl20-30水 65-75；二次定型液重量百分組成為NaHSO30.5-1.5重量含量17％的氨水 0.5-1.5水97-99。
2.如權利要求1所述的牦牛絨纖維拉伸改性方法，其特征在于所加假捻的最適捻度為1.67捻/10cm，最適羅拉隔距為10mm，最適拉伸率為30％，最適拉伸速度為20mm/min。
3.如權利要求1所述的牦牛絨纖維拉伸改性方法，其特征在于預處理液重量百分組成為重量含量36％的鹽酸17NaCl 25水58。
4.如權利要求1所述的牦牛絨纖維拉伸改性方法，其特征在于一次定型液重量百分組成為NaClO 6NaCl 25水69。
5.如權利要求1所述的牦牛絨纖維拉伸改性方法，其特征在于二次定型液重量百分組成為NaHSO31.0重量含量17％的氨水1.0水98。
6.如權利要求1所述的牦牛絨纖維拉伸改性方法，其特征在于假捻拉伸裝置是由上羅拉(1)、下羅拉(2)、假捻器(3)、加熱器(4)和編程控制器(5)組成的密閉拉伸裝置，該裝置是由7組羅拉組成的6區假捻分體式拉伸裝置，即對纖維集合體實施假捻的裝置和拉伸的裝置單獨進行傳動。
全文摘要
一種牦牛絨纖維改性方法，屬于天然纖維領域，是將牦牛絨經預浸液處理、加捻拉伸、加熱潤濕、一次定型、沖洗、二次定型和烘干步驟制成高支細牦牛絨，本發明的牦牛絨纖維拉伸改性方法，加工過程簡單，原料廉價易得、設備投資較低，加工過程和產品質量容易控制。牦牛絨拉伸細化后，牦牛絨纖維顏色變淺，手感柔軟，剛性降低。對開發牦牛絨細化改性產品、開辟牦牛絨用途的新領域和解決輕薄牦牛絨織物的原料問題，具有積極的社會效益和現實的經濟效益。同時，設計了開發牦牛絨拉伸改性整套設備，為我國紡織機械制造業的發展提供一定技術依托。
文檔編號D01B9/00GK1916262SQ20061004761
公開日2007年2月21日 申請日期2006年9月4日 優先權日2006年9月4日
發明者鄭來久 申請人:大連輕工業學院