胶原蛋白纤维结构与性能研究

苏玉恒，孔繁荣

(河南工程学院 纺织学院，河南 郑州450007)

胶原蛋白广泛存在于动物的皮、骨、软骨、牙齿、肌腱、韧带和血管中，起着支撑器官、保护机体的重要作用，也是组成细胞间质重要的功能蛋白质.由于其独特的理化性质和优良的生物相容性，在许多领域得到了广泛应用［1］.胶原蛋白与壳聚糖共混纺丝得到的复合纤维和皮肤有较好的亲和性能，具有穿着更加舒适的特点，同时具有可生物降解和广谱抗菌性能［2］，特别是经特殊方法制得的胶原蛋白壳聚糖复合材料，已用于多种组织工程支架.早在20世纪80年代，国外已开展了胶原蛋白复合纤维的研究，特别是胶原蛋白与聚丙烯腈、聚乙烯醇共混制备复合纤维.本研究所用胶原蛋白纤维是由上海全宇生物科技遂平有限公司开发生产的一种动物胶原蛋白及聚乙烯醇共混的一种可降解的环保纤维.

1 实验部分

1.1 实验材料

胶原蛋白改性纤维1.5 dtex×38 mm，由上海全宇生物科技遂平有限公司提供.

1.2 方法

采用FEIQuanta 250扫描电子显微镜，观察纤维纵向与横向的表面结构.红外光谱采用耐施670傅里叶红外光谱仪测试，扫描次数为32，分辨率为4 cm-1，波数为400～4 000 cm-1.单纤维强力采用LLY-06B型电子纤维强力仪进行测试，测试项目包括一次拉伸、松弛和蠕变，拉伸速度为10 mm/min，隔距为10 mm，一次拉伸实验的1，2，3定伸长分别为4%，6%和10%，预加张力为0.3 cN，松弛测试的施加张力为3 cN，蠕变测试的定伸长设定3%，测试根数30根.纤维摩擦系数采用Y151型纤维摩擦系数仪，测试转速为30 r/min.回潮率采用YG747型通风式快速八篮恒温烘箱，烘箱温度为(105±2)℃，试样质量为50 g.纤维比电阻采用YG321型纤维比电阻测试仪，测试纤维质量为15 g.试样实验前在温度(20±1)℃、相对湿度(65±3)%的标准温湿度环境下放置24 h后进行预调湿.

2 结果与讨论

2.1 胶原蛋白纤维的形态

图1和图2为胶原蛋白纤维在扫描电子显微镜4 000倍下的纵向结构和800及10 000倍下的横向结构照片.由图可知，胶原蛋白纤维的截面呈扁圆形或腰圆形，纤维结构较为松散，内部有微孔或纵向的裂隙;纤维纵向较平滑，但有明显的纵向沟纹，并伴有散布的与内部贯通的裂纹，胶原蛋白的形态结构表明纤维有一定的抗变形和吸湿、透气、导湿的特点.

图1 胶原蛋白纤维4 000倍纵向结构Fig.1 SEM image of the length w ise direction of collagen fibers(×4 000)

图2 胶原蛋白纤维800倍与10 000倍横向结构Fig.2 SEM image of the cross section of collagen fibers(×800 and×10 000)

2.2 红外光谱

图3为胶原蛋白纤维与聚乙烯醇纤维的红外光谱图，两者的特征峰基本接近，说明纤维的主要成分仍然是聚乙烯醇.胶原蛋白的三级结构呈独有的右手三螺旋构型，所以红外光谱的酰胺A、酰胺Ⅰ和酰胺Ⅲ具有明显特征［3］.在X—H伸缩振动区(4 000～2 500 cm-1)胶原蛋白纤维出现4个峰，其中前3个峰与聚乙烯醇的位置相近，胶原蛋白纤维出现在3 290 cm-1，2 940 cm-1和2 910 cm-1，聚乙烯醇则出现在3 460 cm-1，2 940 cm-1和2 910 cm-1，显然3 290 cm-1是胶原蛋白酰胺A谱带由N—H的伸缩振动引起的.正常的胶原蛋白纤维酰胺A谱带应在3 320 cm-1(牛源Ⅰ胶原蛋白)处，但与聚乙烯醇共混后，其中的聚乙烯醇的羟基的氢键与胶原蛋白的氢基结合使特征峰宽化并向低波数移动，从而被拉低到现在的位置.另外两个峰则是聚乙烯醇的羟基吸收峰，胶原蛋白纤维在2 850 cm-1处出现一个明显吸收峰，为醛基吸收峰，表明共混的聚乙烯醇缩甲醛纤维含有更多醛基.

在双键区(2 000～1 500 cm-1)两种纤维出现明显差异，胶原蛋白纤维在1 640 cm-1和1 540 cm-1处出现2个峰，其中在1 640 cm-1处仅有一个峰，这是胶原蛋白的酰胺Ⅰ谱带的明显特征，1 540 cm-1的峰为酰胺Ⅱ谱带，由异相N—H面内弯曲振动和C—N伸缩振动共同产生.指纹区(1 500～400 cm-1)谱带的振动组成比较复杂，但在1 024 cm-1处的吸收峰是酰胺Ⅲ的典型谱位.

胶原蛋白纤维红外光谱与聚乙烯醇纤维特征峰接近，但其酰胺A、酰胺Ⅰ和酰胺Ⅲ等胶原蛋白特征峰明显，其位置和特点反映了其三螺旋结构的基本特征，表明共混胶原蛋白纤维中的蛋白质具有胶原蛋白的特征.

图3 胶原蛋白纤维(a)与聚乙烯醇纤维(b)红外光谱Fig.3 Infrared spectroscopy of collagen fiber(a)and rinylon fiber(b)

2.3 纤维的力学性能

表1为胶原蛋白纤维与其他几种蛋白质纤维和聚乙烯醇纤维的力学性能指标.胶原蛋白纤维具有较高的强度、初始模量和摩擦系数，但伸长率偏低.因此，胶原蛋白纤维产品在强力和保型性方面有较好的表现，但手感相对于其他蛋白质纤维较为粗糙硬挺.由于其较大的摩擦系数在纺纱加工过程中会有较大的摩擦阻力，在开松、梳理和牵伸过程中会有一定的困难，所以在纺纱前应适当添加油剂，以改善其加工性能.

表1 胶原蛋白纤维与其他几种纤维的力学性能对比Tab.1 Comparison ofmechanical property

2.4 胶原蛋白纤维的吸湿性

胶原蛋白纤维的回潮率为6.2%，低于棉等天然纤维，但比一般化学合成纤维如聚酯纤维(0.4%)、聚丙烯腈纤维(4.5%)、聚乙烯醇纤维(5.0%)和聚丙烯纤维(1.0%)大，特别是胶原蛋白的共混提高了聚乙烯醇纤维的吸湿性，与棉的回潮率进一步接近.良好的吸湿性会使纤维的导电性增加，介电常数变大，抗静电性能增加，这给纺织加工和正常使用提供了方便，同时作为服用面料也有较好的穿着舒适性.

2.5 胶原蛋白纤维的导电性能

胶原蛋白纤维的质量比电阻为7.125×109Ω·g/cm2，远大于棉纤维和羊毛纤维，与聚乙烯醇纤维基本一致.一般纺织纤维质量比电阻在107Ω·g/cm2以下为好，否则应采取防静电的措施，特别是109Ω·g/cm2以上的就必须采取防静电措施了.因此，胶原蛋白纤维纺纱加工过程中也应采取抗静电措施.

3 结论

胶原蛋白纤维是对畜牧、皮革等产业废弃物的再利用，不占用和浪费资源，是一种适应现代可持续发展的产品.胶原蛋白纤维具有良好的吸湿透气性和强力，初始模量较大，纺纱性能较好，穿着舒适，比大多数蛋白质纤维产品的保型性和挺括性好，适用于床上用品、衫衣及针织内衣等产品的开发.

［1］安锋利，王建林，权美平，等.胶原蛋白的应用及其发展前景［J］.贵州农业科学，2011，39(1):8-11.

［2］钱江，汤克勇，曹健，等.一种新型绿色纤维——胶原蛋白与壳聚糖共混纤维［J］.中国皮革，2004，33(11):4-6.

［3］陈静涛，赵玉萍，徐政，等.重组胶原蛋白与牛源Ⅰ型胶原蛋白红外光谱研究［J］.材料导报，2008，22(3):119-121.