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羊毛作为蛋白质纤维,是一种很有价值的资源。它具有优良的性能,如吸湿性强、不易粘污、保暖、耐磨、光泽柔和等。我国羊毛资源丰富,又是毛纺业生产大国,由于羊毛品质、饲养管理和纺织技术的限制,每年都有大量的羊毛短纤维、粗纤维被废弃,这些不仅造成了角朊蛋白资源的浪费,而且污染环境。因此研究废弃羊毛纤维的回收再生利用及其方法,对有效利用和保护自然资源,实现可持续发展有着十分重要的意义。目前人们对废弃羊毛的回收利用方式主要是物理、机械和简单的化学手段,其附加值不高,不能充分利用废旧羊毛资源。
本研究首先从当前研究热点中确定一种或几种适合的羊毛角蛋白溶解方法单独研究。其次通过确定合适的衡量指标,探讨各因素对效果的影响,确定其中的参数值,然后进行通用旋转试验设计,找到最佳工艺参数。再将得到的蛋白溶液进行浓缩和提纯处理,以期待达到适合纺丝的浓度和粘度。进而将其用自制的简易静电纺丝仪进行再生蛋白质纤维的试纺。最后,研究、探讨了成丝的影响因素。本论文主要进行了以下几项工作:
(1)通过大量的前期试验,在诸多的羊毛溶液制备方法中选取SDS/亚硫酸氢钠/脲三种试剂组合作为本研究中羊毛角蛋白溶液的主要溶解试剂。该方法可以在保证角朊蛋白分子链完整、不过分降解羊毛的前提下制得羊毛高分子溶液,完成了毛蛋白液制备溶剂的筛选和毛蛋白液流程选择的工作。
(2)在上述工作基础上,通过二次通用旋转组合设计的方法完成了羊毛角蛋白溶液制备工艺条件的优化。在温度为84.67℃、亚硫酸氢钠浓度为101.67g/L、时间为7.85h、尿素浓度为305.01g/L的条件下,羊毛溶解率和角蛋白大分子降解率可以达到一定的平衡,溶解率可以达到最优值。
(3)羊毛角蛋白提纯试验中,对乙醇析出法和硫酸铵盐析法进行了对比,确定硫酸铵盐析法所析出蛋白质量较大而不容易变性。在常温下,选择不同浓度的硫酸铵进行盐析试验,确定使用35%的硫酸铵盐析试验效果良好,可以使盐析出蛋白质不成团。
(4)对盐析产物进行了红外光谱测试,并将其图谱和羊毛纤维图谱进行了对比分析,发现羊毛纤维和盐析产物都有蛋白类红外光谱的特征,都有非常明显的氢键、酰胺Ⅰ带、酰胺Ⅱ带和酰胺Ⅲ带的特征。盐析产物中含有酰胺键,并具有多肽特征,应属蛋白质,并且是以α—螺旋型构象为主的蛋白质;但盐析产物图谱也有部分谱带和羊毛纤维不同,为溶剂和盐析试剂的谱带特征,可知盐析产物中仍有少量的杂质。
(5)通过将盐析出的蛋白质利用原反应液进行回溶得到了具有一定浓度和粘度的适合纺丝的角蛋白高分子溶液。
(6)完成了静电纺丝仪器的构架,采用静电纺丝法对提纯浓缩后的角蛋白大分子溶液进行了可纺性试验并探讨了电压和纺丝性能的关系。试验说明,由亚硫酸氢钠、SDS和尿素为主要溶解试剂制得的角蛋白溶液经提纯、浓缩和回溶后可以纺出无纺布状的纤维,纺丝的细度受电压影响显著。