胶原蛋白锦纶及其织物的性能

陆陈琛， 张红霞， 祝成炎， 田 伟， 王浙峰， 徐青艺，吕思晨

(1.浙江理工大学 “纺织纤维材料与加工技术”国家地方联合工程实验室，杭州 310018;2.浙江敦奴联合实业股份有限公司，浙江 海宁 314400；3.中国长丝织造协会，北京 100020)

胶原是一种天然的纤维蛋白，具有典型的三螺旋结构[1]，被称为“皮肤的软黄金”[2]。胶原蛋白纤维富含多种氨基酸，其氨基酸组成与人体皮肤组成非常接近，具有高度的亲和性，并且胶原蛋白纤维可生物降解，是一种环保纤维[3]。胶原蛋白纤维具有优良的力学性能、抗菌性、生物相容性、可生物降解性及可再生性，当前其在纺织领域的应用主要在生物医学方面[4]。胶原蛋白纤维价格昂贵，受众群较小，因此，再生胶原蛋白纤维的开发具有广阔的市场潜力。

本文采用胶原蛋白锦纶与几种常见纱线织制成4个系列共33种织物，进行抗紫外线、抗菌、透气性、透湿性等功能性及服用性能测试，开发舒适性及功能性优良的面料，以满足未来市场的需求。

1 胶原蛋白锦纶的性能研究

1.1 胶原蛋白锦纶性能测试仪器及设备

针对胶原蛋白锦纶及其织物的性能测试，采用以下测试仪器：XL-2型纱线强伸度仪、XDP-1织物悬垂性测试仪(上海新纤仪器有限公司)，YG871型毛细管效应测定仪(深圳海滨仪器有限公司)，Nicolet 5700傅立叶红外光谱仪(美国热电公司)，JSM-5610LV型扫描电镜(日本株式会社JEOL)，YG026H型多功能电子织物强力机、YG461E-Ⅲ全自动透气量仪、YG601-Ⅰ/Ⅱ型电脑式织物透湿仪(宁波纺织仪器厂)，YG(B)141D数字式织物厚度仪(温州大荣纺织仪器有限公司)，UV-2000F*纺织品抗紫外因子测试仪(美国labsphere公司)及实验室常见设备等。

1.2 胶原蛋白锦纶的基本情况

胶原蛋白锦纶(UMORFIL公司)是利用专利技术从深海鱼鱼鳞中提取海洋胶原蛋白胜肽氨基酸制成胶原蛋白液和锦纶共混纺丝而成[5-6]。现采用XL-2型纱线强伸度仪对线密度为7.78 tex的胶原蛋白锦纶进行测试，发现其断裂强度达4.5 cN/dtex，断裂伸长率为38%，与同线密度的锦纶相比提升18%。

现采用FZ/T 50018—2013《蛋白黏胶纤维蛋白质含量试验方法》中次氯酸钠法进行胶原蛋白含量测试，根据锦纶耐碱的特性，利用次氯酸钠溶液将蛋白质从胶原蛋白锦纶中溶解去除，由纤维损失的质量得到蛋白质含量。根据标准中公式计算，测试结果得胶原蛋白锦纶中胶原蛋白含量为2.31%，和其他胶原蛋白纤维含量相差不多。

为了解胶原蛋白锦纶的吸湿导湿性能，根据FZ/T 01071—2008《纺织品 毛细效应试验方法》，采用YG871型毛细管效应测定仪，在标准大气下测得纱线芯吸高度变化，测试结果如图1所示。

图1 胶原蛋白锦纶的芯吸高度变化Fig.1 Wicking height changes of the collagen nylon

由图1可知，胶原蛋白锦纶芯吸高度最高可达到5.3 cm，与普通锦纶比相差不多，但其芯吸速率比普通锦纶大。这说明胶原蛋白锦纶的吸湿导湿性能与普通锦纶相比更优良。

1.3 胶原蛋白锦纶的红外光谱分析

采用Nicolet 5700傅立叶红外光谱仪对胶原蛋白锦纶长丝进行测试分析，光谱范围为4 000～600 cm-1，分辨率大于0.09 cm-1，测试结果见图2。由图2可知，胶原蛋白锦纶的峰值变化趋势与锦纶66[6]大致相同，这表明胶原蛋白锦纶和锦纶66的主要成分和基团基本一致。其主要区别在于胶原蛋白锦纶长丝在波段1 600 cm-1波峰即CN键处其透光率高一些。

图2 胶原蛋白锦纶长丝红外光谱Fig.2 FT-IR spectrum of the collagen nylon filament

1.4 胶原蛋白锦纶的元素测定

采用JSM-5610LV型扫描电镜分别对胶原蛋白锦纶和桑蚕丝进行元素相对原子百分比测试分析，测试结果见表1。由表1可见，胶原蛋白锦纶仅包含C、N、O三种元素，桑蚕丝由于未完全脱胶，除C、N、O外另有少量其他元素，两者相比，胶原蛋白锦纶N含量有所减少。

表1 胶原蛋白锦纶与桑蚕丝的元素相对原子百分含量Tab.1 Relative atomic percentage of collagen nylon and mulberry silk

2 试样织物规格设计

为达到舒适性和功能性优良的目的，本次试验选择同样为合成纤维的涤纶和亲肤性较好的黏胶为经纱，以不同投纬比例及不同织物组织作为变化因子，设计并织造了A、B、C、D四个系列，共33种织物。在保证其他条件相同的情况下，B系列采用涤纶作为经纱，C系列采用黏胶作为经纱；在保证组织相同的情况下，胶原蛋白锦纶和精梳棉纱的投纬比例依次为0︰1、1︰4、1︰3、1︰2、1︰1、2︰1、3︰1、4︰1、1︰0；在保证各投纬比相同的情况下，A系列织物采用平纹组织，B、C系列织物采用五枚缎纹组织，D系列则依次采用平纹、2/1斜纹、破斜纹、纬二重、双层、五枚缎纹组织。各系列规格参数见表2、表3。

表2 A系列织物规格参数Tab.2 Specification parameters of A series fabric

表3 D系列试样织物规格参数表Tab.3 Specification parameters of D series fabric

注：B系列织物经线改为5.55 tex涤纶，组织改为五枚缎纹，其他与A系列相同；C系列织物组织改为五枚缎纹，其他与A系列相同。

3 织物性能测试

3.1 保形性及厚度测试

保形性测试包含织物悬垂性、拉伸回弹性两部分[7]。参照GB/T 23329—2009《纺织品 织物悬垂性的测定》，选用XDP-1织物悬垂性测试仪进行测试，测试结果见表4。结果发现：D系列织物静态悬垂系数变化较大，最好为D5双层组织，其原因为织物悬垂性受经纬向活络率影响较大，织物结构越松散，悬垂性越好；比较A、B、C系列可发现，织物静态悬垂系数随着胶原蛋白锦纶的投纬比例的增加而增加，原因为胶原蛋白锦纶比棉刚度大，随着胶原蛋白锦纶作为纬纱比例的增多，织物刚度逐渐增高，悬垂性变差。

参照GB/T 3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定 条样法》及GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》，选用YG026H型多功能电子织物强力机和YG(B)141D数字式织物厚度仪进行测试，测试结果见表4。根据表4中断裂强力和断裂伸长率数据可发现，A、B、C三个系列断裂强力随着胶原蛋白锦纶的投纬比例的增加变化不大，最大为B系列，这是因为B系列采用涤纶为经纱，其他系列采用黏胶为经纱，而涤纶比黏胶强度高；D系列除D5外织物的断裂强力变化不大，这是因为D5采用的是双层组织，在相同经纬密的情况下与单层织物相比结构更加松散，因此更易断裂。织物的厚度普遍在0.3 mm以内属于轻薄织物。

表4 织物舒适性及服用性能测试结果Tab.4 Test results of fabric comfortability and wearability

注：UVA、UVB分别表示波长在315～400 nm及280～315 nm的日光紫外线辐射；UPF表示紫外线防护系数。

3.2 透通性测试

透通性测试主要包含透气和透湿性测试两部分。织物透气性测试方法参照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，测试仪器为YG461E-Ⅲ全自动透气量仪。织物透湿率测试方法参照GB/T 12704.1—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分：吸湿法》，测试仪器为YG601-Ⅰ/Ⅱ型电脑式织物透湿仪。

织物透气性结果见表4。A、B、C三个系列透气率都随着胶原蛋白锦纶的投纬比例的增加而减少，这是因为锦纶属于合成纤维其透气性比天然纤维差。其次，C系列明显优于B系列，透气率最高相差1 000 mm/s，原因为两系列采用的经线不同，而胶原蛋白锦纶结构类似于锦纶，透气性比涤纶好很多。D系列透气率D5>D4>D6>D2>D3>D1，可发现织物组织结构的变化对织物透气性影响较大，最差的是平纹组织，其原因是平纹组织在相同经纬密的情况下经纬线相互交织次数最多，纱线间空隙最小。

织物透湿性结果见表4。除B1、D4和D5外，其余织物透湿率在300～500 g/(m2·h)，透湿率较高。但B系列织物透湿率总体低于A、C系列织物，这是因为A、C系列经线选用的是黏胶，黏胶纤维含有大量亲水基团的纤维素大分子可以起到水化作用，而涤纶不及黏胶，由此表明纱线原料对织物透湿性能影响较大。而A、B、C三个系列织物透湿率最大的分别是A9、B9、C9，这表明当投纬比是1︰0时织物透湿性能最优。并且纬纱中含有胶原蛋白锦纶织物的透湿率比不含的织物高很多，其原因为胶原蛋白含有大量亲水基团，吸湿性和保湿性较好。D系列中除D4、D5外结果都相近，表明织物单双层对织物透湿率影响较大。

3.3 抗紫外性测试

参照GB/T 18830—2009《纺织品 防紫外线性能的评定》，选用UV-2000F*纺织品抗紫外因子测试仪对织物进行测试，结果如表4所示。织物抗紫外性能受纱线原料影响较大。A、B、C三个系列织物UPF值随着胶原蛋白锦纶的投纬比例的增加而增加，当投纬比为1︰0时数值最大，这是因为锦纶本身就具有良好的抗紫外性能，织物随着胶原蛋白锦纶数量的增加，抗紫外性能也就越好。其中B系列UPF值明显优于A、C两个系列，最高可达110.86，远超国家防紫外标准要求，是因为涤纶和锦纶都比黏胶要有良好抗紫外性能。D系列织物UPF值最大的是D6也就是五枚缎纹组织，这表明五枚缎纹比其他组织抗紫外性能要好。

3.4 抗菌性测试

织物抗菌性测试方法参照美国AATCC-90晕圈法[8]，也叫琼脂平皿法。其原理是，在琼脂培养基上接种试验菌，再紧贴试样，于37 ℃下培养24 h后，用放大镜观察菌类繁殖情况和试样周围无菌区的晕圈大小，与对照样的试验情况比较。

日常生活中常见菌种主要有金黄色葡萄球菌和大肠杆菌两种。针对这两菌种选择B系列织物进行测试，试样直径为25 mm，测试结果如图3、图4所示，织物边沿至红线范围表示抑菌圈。结果表明：B1(不含胶原蛋白锦纶)抑菌圈基本没有，B9(纬纱均为胶原蛋白锦纶)当投纬比为1︰0时抑菌效果最为明显，抑菌圈最大。其原因就是同样大小尺寸的织物中该投纬比时胶原蛋白含量最多，而胶原蛋白有天然的抗菌性能，因此其抑菌效果也最明显。

图3 B1、B9金黄色葡萄球菌抑菌结果Fig.3 Bacteriostasis results of B1 and B9 Staphylococcus aureus

图4 B1、B9大肠杆菌抑菌结果Fig.4 Bacteriostasis results of B1 and B9 Escherichia coli

3.5 综合评价

利用模糊数学综合评价方法[9]，结合纺织领域郑慧[10]等专业学者文献和实际穿着过程中人们的实际感受选取以下五种因素：织物厚度、悬垂性、透湿性、透气性、抗紫外效果，分别对A、B、C、D四个系列织物进行综合分析。以B系列织物为例，其他3个系列相类似。

1)建立因素集U

U={u1,u2,u3,u4,u5}={织物厚度，悬垂性，透湿性，透气性，抗紫外}

(1)

2)建立评价集

将B系列B1～B9分别对应为Y1～Y9：

V={Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Y7,Y8,Y9}

(2)

3)单因素评判

根据最大最小法建立模糊相似矩阵，经过凌雪[11]等专业学者文献及实际情况取整确定隶属函数得出单因素评判矩阵R：

(3)

4)建立权重集A

使用组合赋权法[12]，通过前期调查问卷结果得出大众普遍认为透气性及抗紫外效果比较重要，其中透气性占26.6%、抗紫外效果占23.2%等。考虑到建立数学集的科学性及有效性，综合相关参考文献及专家意见，得出各项性能指标对应的权重系数A：

A=(0.20,0.14,0.18,0.26,0.22)

(4)

5)模糊综合评判

根据M(·，+)计算出结果：

B=AR=(0.20,0.14,0.18,0.26,0.22)

(5)

=(0.482,0.536,0.511,0.506,0.510,0.509,0.546,0.550,0.617)

根据最大隶属度原则，可得出Y9方案即编号为B9的织物综合性能最佳，为最优方案。运用相同的方法可依次得出A系列织物中A9、C系列织物中C9、D系列中D6为最优方案。

4 结 论

胶原蛋白锦纶胶原蛋白含量为2.31%，其主要成分和基团与锦纶66基本一致，但比锦纶66性能更加优良，其断裂强力比普通锦纶大18%，芯吸速率比普通锦纶高，吸湿导湿性能好。当投纬比为1︰0时，织物抗紫外性、透湿性能最优，抑菌效果最为明显。不同组织中五枚缎纹组织织物的织物综合性能最佳。因此，投纬比为1︰0且为五枚缎纹组织的织物最适合开发高档内着衣物。