一種增強天然蛋白纖維拉伸力學性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種增強天然蛋白纖維拉伸力學性能的方法，屬于紡織材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]天然蛋白纖維主要包括蠶絲、蜘蛛絲、羊毛、羽絨、兔毛和牦牛毛等等。天然蛋白纖維以其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用在紡織領(lǐng)域。其中，蜘蛛絲以其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、彈性和抗拉等特殊性能，有“生物鋼”之稱，吸引了眾多科研人員的興趣，具有極高的研究價值和應(yīng)用價值。但其有難以飼養(yǎng)、產(chǎn)量低和收集困難等問題，導(dǎo)致其無法在紡織工業(yè)中進行應(yīng)用。因此，對蠶絲、羊毛和兔毛等進行增強改性，達到甚至超過蜘蛛絲的拉伸力學性能越來越具有重要的意義。
[0003]天然蛋白纖維拉伸力學性能增強的現(xiàn)有技術(shù)包括如下三個:1.通過物理或化學的手段使天然蛋白質(zhì)大分子之間產(chǎn)生交聯(lián)，進而增強天然蛋白纖維；2.通過熱處理或化學浸泡的方法，去除雜質(zhì)和少量非結(jié)晶物質(zhì)，重新調(diào)整天然蛋白纖維的取向度和規(guī)整度，實現(xiàn)增強天然蛋白纖維拉伸力學性能的目的；3.在天然蛋白纖維中引入無機分子、納米粒子或納米針狀材料等，實現(xiàn)天然蛋白纖維拉伸力學性能的增強。
[0004]上述增強天然蛋白纖維拉伸力學性能的方法是從分子間力方面、聚集態(tài)方面以及添加增強體方面進行設(shè)計和實施的，是將天然蛋白纖維改性成剛性纖維的過程，天然蛋白纖維剛性的增加將會導(dǎo)致其彈性的下降，并造成手感和舒適性下降。因此，上述增強天然蛋白纖維拉伸力學性能的方法只能有效地實現(xiàn)其斷裂強度和楊氏模量的同時增加，卻難以實現(xiàn)天然蛋白纖維在斷裂強度、楊氏模量和斷裂伸長率三個力學指標同時增加的目的。針對現(xiàn)有天然蛋白纖維拉伸力學性能增強方法的缺陷，創(chuàng)新性的提出一種同時增強天然蛋白纖維的斷裂強度、楊氏模量和斷裂伸長率的方法顯得非常有意義，也為增強天然蛋白纖維的拉伸力學性能提供了一條新途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種增強天然蛋白纖維拉伸力學性能的方法，為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案為，
一種增強天然蛋白纖維拉伸力學性能的方法，所述的方法按以下步驟進行: a天然蛋白纖維的預(yù)處理
在索氏萃取器中，將天然蛋白纖維采用無水乙醚進行虹吸循環(huán)清洗，清洗2_5h后放入溫度為80-90°C干燥箱中干燥l_2h直至天然蛋白纖維表面的乙醚去除，得到預(yù)處理后的天然蛋白纖維，其中，天然蛋白纖維的虹吸循環(huán)清洗次數(shù)為20-50次；b改性溶液的制備按如下質(zhì)量百分比:
去尚子水15?97.5%銨鹽I?70%
含酰胺鍵的極性溶劑0.5?10%
丙酮0.9?4.5%
低相對分子量陰離子型表面活性劑 0.1?0.5%
將銨鹽、含酰胺鍵的極性溶劑、丙酮和低相對分子量陰離子型表面活性劑放入去離子水中得到混合溶液，然后將混合溶液的溫度升高至25?98°C并機械攪拌3-5h后得到改性溶液，其中，攪拌速率為800-3000r/min ；c銨鹽分子嵌入天然蛋白纖維
將經(jīng)步驟a得到的預(yù)處理后的天然蛋白纖維放入經(jīng)步驟b制備的改性溶液中，在溫度為80-130°C、氣壓為0.101-0.270Mpa的條件下進行高溫高壓浸泡和溶脹處理l_5h，在高溫高壓浸泡和溶脹的作用下，改性溶液中的銨鹽分子擴散至預(yù)處理后的天然蛋白纖維的無定形區(qū)大分子之間，得到銨鹽分子嵌入的天然蛋白纖維；
d銨鹽分子嵌入的天然蛋白纖維的清洗、微牽伸和熱定型
將步驟c制備的銨鹽分子嵌入的天然蛋白纖維放入溫度為18-32°C的去離子水中進行清洗，清洗l_5min后將銨鹽分子嵌入的天然蛋白纖維的長度牽伸伸長5-10%，然后放入溫度為65-90°C的鼓風干燥箱中干燥l_2h，得到斷裂強度增加30-80%，斷裂伸長率增加60-120%，楊氏模量增加30-70%的天然蛋白纖維。
[0006]所述的天然蛋白纖維是蠶絲纖維或羊毛纖維或羽絨纖維或兔毛纖維或牦牛毛纖維中的一種。
[0007]所述的去離子水的導(dǎo)電率彡16 ΜΩ.αιι。
[0008]所述的銨鹽是硝酸銨或氯化銨或硫酸銨或硫酸氫銨或碳酸銨或碳酸氫銨或磷酸銨或磷酸氫銨或磷酸二氫銨或磷酸氫二銨中的一種。
[0009]所述的含酰胺鍵的極性溶劑是甲酰胺或N，N- 二甲基甲酰胺或N，N- 二甲基乙酰胺中的一種。
[0010]所述的低相對分子量陰離子型表面活性劑是硫酸酯鹽表面活性劑或磺酸鹽表面活性劑或磷酸酯鹽表面活性劑中的一種，相對分子量為200-1000。
[0011]由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明的技術(shù)特點在于:
(1)現(xiàn)有的增強天然蛋白纖維拉伸力學性能的方法只能增強天然蛋白纖維的斷裂強度和楊氏模量，而本發(fā)明的技術(shù)方案可以實現(xiàn)天然蛋白纖維斷裂強度、楊氏模量和斷裂伸長率的同時增強；
(2)天然蛋白纖維經(jīng)過預(yù)處理后，放入由去離子水、銨鹽、含酰胺鍵的極性溶劑、丙酮和低相對分子量陰離子型表面活性劑組成的混合溶液中，經(jīng)過高溫高壓浸泡和溶脹處理后，銨鹽分子嵌入天然蛋白纖維無定形區(qū)的大分子之間和孔隙中。當銨鹽分子嵌入的天然蛋白纖維經(jīng)過微牽伸和熱定型后，銨鹽分子的銨根離子在天然蛋白纖維的無定形區(qū)大分子之間與天然蛋白質(zhì)大分子中-NH-基團形成了比較穩(wěn)定的氫鍵作用力，構(gòu)成了微交聯(lián)結(jié)構(gòu)。另夕卜，天然蛋白纖維的無定形區(qū)的孔隙中較多的銨鹽分子會結(jié)晶在一起形成直徑為20-180nm的納米微球，納米微球上的銨根離子與天然蛋白質(zhì)大分子中-NH-基團也可以形成氫鍵，從而將多個天然蛋白質(zhì)大分子鏈通過納米微球連接在一起。在拉伸過程中，天然蛋白纖維的無定形區(qū)的大分子不斷被拉伸和相互滑移，銨根離子與天然蛋白質(zhì)大分子之間也產(chǎn)生相對的滑移，當它們之間的氫鍵斷裂后，銨根離子會在新的位置上與臨近的-NH-基團形成新的氫鍵，而拉伸過程中納米微球的自旋轉(zhuǎn)，增加了天然蛋白質(zhì)大分子之間的滑移位移。因此，在拉伸過程中，銨根離子與天然蛋白質(zhì)大分子之間的強氫鍵力及其相互滑移斷裂后的再形成以及銨鹽納米微球的自旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致天然蛋白纖維的斷裂強度、楊氏模量和斷裂伸長率同時增強。
[0012](3)通過本發(fā)明得到斷裂強度增加30-80%，斷裂伸長率增加60-120%，楊氏模量增加30-70%的天然蛋白纖維。
[0013]本發(fā)明提供了一種增強天然蛋白纖維拉伸力學性能的方法，通過該方法得到斷裂強度、楊氏模量和斷裂伸長率同時增強的天然蛋白纖維，為增強天然蛋白纖維開辟了一條新的途徑。該制備方法工藝設(shè)備簡單，成本較低，對生態(tài)環(huán)境無污染，可控性高，具有很大的應(yīng)用前景。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行具體詳細描述。
[0015]一種增強天然蛋白纖維拉伸力學性能的方法，所述的方法按以下步驟進行: a天然蛋白纖維的預(yù)處理
在索氏萃取器中，將蠶絲纖維或羊毛纖維或羽絨纖維或兔毛纖維或牦牛毛纖維中的一種，采用無水乙醚進行虹吸循環(huán)清洗，清洗2-5h后放入溫度為80-90°C干燥箱中干燥l_2h直至天然蛋白纖維表面的乙醚去除，得到預(yù)處理后的天然蛋白纖維，其中，天然蛋白纖維的虹吸循環(huán)清洗次數(shù)為20-50次。
[0016]存儲和運輸?shù)倪^程容易導(dǎo)致天然蛋白纖維表面粘附油跡和塵埃，嚴重阻礙改性溶液在天然蛋白纖維表面的浸潤和鋪展，進而影響銨鹽分子對天然蛋白纖維表面的吸附，不利于其向天然蛋白纖維無定形區(qū)的擴散。因此，采用無水乙醚對天然蛋白纖維進行虹吸循環(huán)清洗，以去除天然蛋白纖維表面的雜質(zhì)。
[0017]b改性溶液的制備按如下質(zhì)量百分比:
去尚子水15?97.5%
銨鹽I?70%
含酰胺鍵的極性溶劑0.