再生丝素蛋白湿法纺丝成形及机理的研究

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天然纤维由于其自身的特有优点一直受到消费者的青睐,尤其是天然丝素蛋白纤维具有良好的生物相容性,无毒、无污染、无刺激性而且可生物降解,不仅在服用方面享有“纤维皇后”的美誉,而且在生物组织工程、膜过滤材料以及医学领域都有很大的应用潜力。本文以柞蚕茧蛋白粉为原料,探讨了丝素蛋白纤维湿法纺丝的再生情况,以期对废弃蛋白纤维的再生利用提供理论指导。本文以柞蚕丝素蛋白粉为原料,采用一步溶解法,将蛋白粉溶解在硫氰酸锂、乙醇和水的三元溶剂中制成纺丝原液。借鉴腈纶湿法纺丝工艺并考虑丝素结构的特殊性,采用凝固浴、预拉伸浴、拉伸浴、水洗以及干燥致密化的纺丝流程对丝素蛋白纤维实现再生。探讨了各道工艺参数对纤维形貌和结构的影响以及纤维在成形过程中结构的演变。研究可知:凝固浴中硫酸铵的浓度主要是通过对原液细流表层的影响而影响初生纤维的凝固,而凝固浴温度影响的是原液细流芯部的凝固。随着凝固浴中硫酸铵的浓度、温度的增大,初生纤维在预拉伸浴中的拉伸倍数都是先增大后减小。且当原液细流的凝固比较缓慢时,形成的纤维结构比较致密,易形成圆形截面;反之,成形纤维的结构缺陷就较多,截面多呈椭圆形。通过单因子实验可知,当凝固浴中硫酸铵浓度为400g/L、温度为15℃时,纤维能够实现很好的成形。预拉伸浴中硫氰酸锂和硫酸铵的加入都是通过影响纤维内外的浓度差而调节其进一步的成形速度的。通过正交实验的分析以及进一步的单因子实验可知,6%硫氰酸锂、380g/L硫酸铵的预拉伸浴能调和纤维凝固和预拉伸的矛盾。拉伸浴比较合适的水温在55℃~60℃之间。拉伸和干燥致密化是纤维成形过程中比较重要的两个步骤,对纤维的结构和性能起着重要的影响作用。研究表明,随着拉伸倍数的提高,纤维的结晶度和取向度都增加,其力学性能和尺寸稳定性也得到了改善。干燥致密化是一个去除水分和结构致密的过程,温度和时间都至关重要。时间太短达不到致密化的效果,而时间太长对能源又是一个很大的浪费。温度低,不容易形成毛细管负压,水分的挥发不彻底,过高温度会使纤维在短时间内发黄、发脆。实验表明,在135℃下致密化15min就可以达到理想的效果。本文还探讨了纤维在成形过程中结构的演变,通过扫描电子显微镜、红外光谱、X-衍射以及偏光显微镜的分析可知,由纺丝原液成为纤维的过程中,纤维的结构越来越致密,结晶和取向结构的形成是一个渐进的过程。尤其是致密化工序之后,纤维基本实现了均质化。
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