羊毛与家蚕丝纤维的主要服用性能比较及二者复合材料的开发

张雨丽，张桂征，闭立辉，韦博尤，黄文功，黄玲莉，苏红梅，蒙艺英，黄凌，韦伟，赵爱春

（1.广西蚕业技术推广总站，南宁 530007；2.西南大学，重庆市 400700）

·专题与综述·

羊毛与家蚕丝纤维的主要服用性能比较及二者复合材料的开发

张雨丽1，张桂征1，闭立辉1，韦博尤1，黄文功1，黄玲莉1，苏红梅1，蒙艺英1，黄凌1，韦伟1，赵爱春2

（1.广西蚕业技术推广总站，南宁 530007；2.西南大学，重庆市 400700）

羊毛与家蚕丝纤维是纺织工业重要的天然蛋白质纤维。在服用性能方面，二者有许多相似之处，更有诸多不同之点。通过将羊毛与家蚕丝纤维的主要服用性能进行比较，描述目前二者作为纺织材料的优点与缺点，提出目前研究者主要采取混纺和转基因两种方法来获得兼顾羊毛与蚕丝纤维优点、又能有效克服各自缺陷的新型纺织材料。进一步对羊毛/蚕丝混纺织物的开发存在的主要问题作概述，并指出转羊毛KAP基因蚕丝新材料有望从源头解决丝绸织物褪色、易皱、泛黄等难题。

羊毛；家蚕丝；服用性能；新材料

羊毛与家蚕丝纤维作为纺织工业的重要原料，历史悠久。二者同为天然蛋白质纤维，绿色环保，有益健康，有诸多的优点，深受人们的青睐。但二者又有着各自的缺陷，导致羊毛与家蚕丝在流行性上具有很大的局限性。本文将羊毛与家蚕丝纤维的主要服用性能进行比较，总结二者作为纺织材料的优点与缺点，为综合二者优点的新型蛋白质纤维材料的开发提供参考。

1 羊毛与家蚕丝纤维的相似服用性能

纤维做成织物后，在穿着使用过程中受到机械力、热、水和各种其他形式的物理化学作用所表现出来的性能称为服用性能[1]。目前确立的纤维材料的服用性能指标要求有强度性能、物理化学性能、外观性能、保健性能等。羊毛与家蚕丝同属于蛋白质纤维，基本组成成分为氨基酸，所以有很多的相似之处，如二者均是耐酸不耐碱的纤维，二者均不耐氧化剂等。羊毛和家蚕丝具有相似的热传导性能；均不易产生静电。二者在保健、环保卫生和生态性能方面比人造纤维优异。

2 羊毛与家蚕丝不同的特性及服用性能

2.1 力学性能

纤维在承受各种形式机械力作用时所表现出来的行为称为纤维的力学性质，也称为机械性质。羊毛纤维强力不高、伸长率很大。家蚕丝强力高于羊毛，而伸长率低于羊毛（见表1）。因此，在同等条件下，羊毛比蚕丝容易拉断，但羊毛承受拉伸变形的能力较强，而且羊毛的扭转弹性恢复能力很好，这使羊毛制品很容易保持原来状态而不变形，该特性是羊毛得到广泛应用的重要因素之一。另外，羊毛纤维的结构使其抗弯曲刚度较低，这也是毛绒产品手感柔软的重要原因。

表1 羊毛与家蚕丝拉伸性能比较[1]

2.2 吸湿及透气性

穿着舒适是织物重要的服用要求，这是一个与舒适感相联系的概念。热湿感舒适是舒适感的主要内容。纤维的吸湿性、耐热性、导热性等物理性能是织物热湿感舒适的主要决定因素。从表2可以看出，羊毛与家蚕丝均含有许多极性氨基酸，对水分子有亲和力，具有一定吸湿性，吸湿能力好的纤维制成的织物必然具有较好的湿传输能力。羊毛的公定回潮率为14%，家蚕丝的公定回潮率为11%，羊毛的吸湿性强于家蚕丝[4]。但随着纤维回潮率的增大，纤维的导热性会增加，而保暖性下降。蚕丝纤维织物的透气性好于羊毛纤维，这是因为它们断面形态不同造成的。

表2 羊毛、家蚕丝结构和极性氨基酸含量比较[3]

2.3 耐光性

蚕丝的耐光性能远远低于羊毛。究其原因，主要是二者的氨基酸组成不同造成。蚕丝蛋白中含有许多芳香族氨基酸，其中酪氨酸含量最多。在紫外线照射、高温、汗水、硬水等的作用下，酪氨酸发生化学反应成为3，4—二氢正苯丙氨酸，继而变成呈褐色的黑蛋白，使丝绸织物“泛黄”，大大影响了丝绸的使用[5]。羊毛中富含胱氨酸支链，耐光性稍强，所以不像蚕丝织物那样脆弱。

2.4 缩绒性

羊毛的表面有许多鳞片，在运动时顺鳞片与逆鳞片两个方向上的摩擦系数各不相同，产生定向摩擦效应[6]，而高度的回弹性则能使它在回缩时借助鳞片对周围纤维的纠缠而把它们密集在一起，织物表面会露出一层绒毛、手感柔软、丰满程度改善，这是羊毛的缩绒性。但缩绒性的存在容易使毛织物在服用中产生尺寸收缩和变形，也容易产生毡合、起毛等现象，从而影响服用的舒适性及美观。家蚕丝纤维则缺乏这方面的特性。

2.5 光泽

纤维的光泽是一种很重要的外观质量指标。纤维的形态结构对光泽的影响很大。家蚕丝表面比较光滑，均匀一致，纤维断面大多具有接近于三角形的形状特征，反射光较强，而且蚕丝纤维中结晶区域和非结晶区域交替存在，使反射光显得柔和，产生珍珠般的光泽，使人在视觉上产生舒适感。羊毛纤维表面为鳞片状态，纤维断面为圆形，所以光泽暗淡。

2.6 染色性能

虽然羊毛与蚕丝纤维中含有许多的极性氨基酸，可以用诸多染料进行染色，但二者的极性氨基酸含量、纤维结晶度和取向度各不相同，染色牢度有着很大的差别。从表2可以看出，极性氨基酸在羊毛中的含量达50%以上，而在家蚕丝中仅为30%左右；而且含硫氨基酸在羊毛中的含量远远超过家蚕丝素蛋白。所以，羊毛的化学反应活泼性比丝素高。一般来讲，羊毛易于染色并能够取得良好的色彩效果。众多的上染位置和染料到达纤维最核心使羊毛色相好[7]。与羊毛染色不同，蚕丝的非结晶部分具有与染料有高亲和力的活性基团，能较好的吸附染料，但染色色牢度较低，导致丝绸产品易褪色。究其深层原因，主要是染料一般难以进入蚕丝内部，纤维与染料的反应通常只能进入到无定型区和结晶区表面[8]。

2.7 抗皱性

真丝纤维非结晶区的丝蛋白分子之间主要由氢键、范德华力等作用力相联系。当吸收水分膨胀时，这些作用力发生断裂或减弱，纤维间容易发生相对滑移，产生后续无力恢复的形变，外在表现为湿弹性差，即产生皱印[9]。羊毛的角蛋白纤维天然卷曲，外层覆盖有许多鳞片层，蛋白质分子之间又含有许多二硫键，使羊毛纤维具有良好的弹性。羊毛的弹性较好，具体表现为弹性回复率高（见表3）[10]，所以抗皱性较强。

表3 蚕丝及其它部分纤维的弹性回复率

2.8 卫生防护等其它性能

丝素中含有与人体皮肤结构组成相似的十八种氨基酸，所以亲肤性强，具有“第二皮肤”的美誉[11]，对皮肤起到保健和对一些皮肤疾患起到治疗作用。甘氨酸含量在蚕丝中约为43%[12]，而甘氨酸能与紫外线发生化学反应，阻止或减少紫外线对人体的侵害，在一定程度上起到保护皮肤的作用。真丝织物在使用后，原纤化作用像扫把一样，可以清除皮肤表面细微污垢和细菌，对皮肤瘙痒症有一定防治作用[13]。羊毛在这方面的性能稍稍逊色。

综上所述，羊毛作为纺织材料，具有弹性好、手感柔软、不易皱折、染色牢度高等优点。但羊毛纤维的缩绒性易使毛织物容易产生尺寸收缩，影响舒适性。而且羊毛织物光泽度不高。家蚕丝纤维光泽舒适、亲肤性高、透气性好、有益身体健康，但容易泛黄、发皱、褪色等。如果能将羊毛与蚕丝这两种蛋白质纤维相结合，优势互补，发挥它们各自的优点、有效克服其各自的缺点，它们的服用性能将得到有效提升，增加其流行性。虽然一些化学的纤维改性方法能使羊毛或蚕丝纤维的固有缺陷得到一定程度的改善，但不能彻底根除，而且可实用性的诸类方法屈指可数。目前研究者主要采取混纺和转基因两种方法来兼顾羊毛与蚕丝纤维优点，又能有效克服各自缺陷的新型纺织材料。

3 羊毛/蚕丝新型复合材料的开发

3.1 羊毛/蚕丝混纺织物的服用性能

羊毛/蚕丝混纺织物是一种新型面料，发展历史不久。它是由两种性能优良的纤维强强联合而成，光泽柔和、凉爽、吸湿性好、干弹性强、手感柔和，穿着舒适而美观，同时也具有较好的干洗性，其服用性能优于真丝和全毛织物，是一种高档的服用面料，且性价比高。但如前所述，二者的物理化学结构有着较大的差异，尤其是极性氨基酸含量差别大，纤维聚集结构和形态结构方面差别也很大，致使两种纤维的染色性能差异较大，给印染加工等带来了诸多困难[14]。

由于蚕丝纤维的回弹性较差，尤其是湿回弹性较差，因此丝毛混纺织物的抗皱性较差，仍然缺乏机洗性和免烫性能[15]。另外，羊毛蚕丝混纺时纤维之间的抱合力差，不易梳理均匀，容易产生毛粒，后整理工艺缺乏也是羊毛/蚕丝混纺纺纱的难点之一。

3.2 转羊毛KAP基因蚕丝新材料的应用前景

羊毛角蛋白是在毛囊中表达最丰富的蛋白，并且在很大程度上决定了羊毛纤维的特性。羊毛纤维90%的成分由角蛋白中间丝蛋白（keratin intermediate proteins，IF）和角蛋白相关蛋白（keratin-associated proteins，KAP）两组蛋白组成[16]。研究表明，羊毛中KAP蛋白含量越丰富，羊毛的光泽就越好。角蛋白相关蛋白的数量与含量是决定羊毛品质的一个重要因素[17]。兔角蛋白基因KAP导入常规棉花中，使棉花纤维强度得到提高[18]。

2010年，西南大学赵爱春教授等构建的了三种家蚕丝素重链表达系统，其中第三类表达载体能使转入的外源蛋白在家蚕后部丝腺特异表达，而且表达的外源蛋白在茧丝中仍保持原有的天然构象。该表达系统是目前最为高效的丝腺表达系统[19]。

2013年，赵爱春教授研究小组采用前述的丝腺表达载体，将羊毛KAP基因成功转入家蚕基因组。该转基因茧丝的聚丙烯酰氨凝胶电泳和氨基酸组成成分分析结果表明，家蚕后部丝腺中表达了含有羊毛KAP蛋白的丝素蛋白，该融合蛋白分泌到丝腺形成了含羊毛KAP蛋白的复合蚕丝，外源蛋白含量约占茧丝总蛋白的1%～3%[20]。经初步检测，该转基因蚕丝机械性能（包括强度和弹性）得到了极大的提高（图1）；同时获得的复合丝染色性能也得到了改善（图2）。另外，该复合蚕丝还符合细胞培养对生物材料的相容性要求，可作为新型的三维细胞培养支架材料。

目前转羊毛KAP基因家蚕的多个品系已获得农业部转基因中间试验安全评价许可，现正在广西和重庆开展安全性相关评价。该新型蚕丝复合材料的诸多特性与功能正在努力研究中。来自于这些转基因品系的新型复合蚕丝有望从源头解决丝绸织物泛黄、易皱、褪色等难题，提高蚕丝的应用价值。

图1 转基因家蚕茧丝及对照茧丝强度测试结果[20]

图2 单活性染料上染转基因家蚕茧丝及对照茧丝茧丝的上染与及固色率比较[20]

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S886［.7］，TS14，TS13；

A；

1006-1657（2016）02-0045-5

2016-05-06；

2016-05-28

广西科学研究与技术开发计划项目（No.桂科合1599005-2-16）。

信息］张雨丽（1982—），女，四川西昌，硕士研究生，高级农艺师，主要从事家蚕育种工作。E-mail：ZYL8324@126.com

信息］韦 伟（1971—），男，推广研究员。E-mail：gxcanyeweiwei@126.com；赵爱春（1974—），男，教授。E-mail：zhaoaichun@hotmail.com