大豆蛋白纤维交织物的保健性能研究
2022-03-19周惊鸿张红霞祝成炎田伟李艳清王宁宁曲艺
周惊鸿 张红霞 祝成炎 田伟 李艳清 王宁宁 曲艺
摘要： 为探明纬纱中大豆蛋白纤维含量和织物组织对织物的负离子、抗紫外线和远红外性能的影响，文章以涤纶丝作为经纱原料，大豆蛋白纤维与黏胶纤维作为纬纱原料，试织了两个系列共14种不同规格的织物试样。其中，9组为大豆蛋白纤维含量不同而组织相同的试样，5组为大豆蛋白纤维含量相同而组织不同的试样，并测试了14组试样的负离子、抗紫外线和远红外发射性能。结果表明：织物的负离子发生量、抗紫外线性能与远红外发射率随着大豆蛋白纤维含量的增加而显著增强;蜂巢织物的负离子发生量和远红外性能最好，抗紫外线性能最差;经过模糊综合分析，八枚纬缎是负离子、抗紫外线和远红外三者综合性能最佳的试样。
关键词： 大豆蛋白纤维;远红外;负离子;抗紫外线;织物组织
中图分类号： TS101.923
文献标志码： A
文章编号： 1001 7003（2022）03 0033 07
引用页码： 031105
DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2022.03.005 （篇序）
近年来，功能纺织品逐渐成为纺织品开发的主流，其中保健型纺织品是指具有产生磁场、远红外发射、抗菌和抗紫外线等功能中的一种或多种，并且不会对人体产生毒副作用的纺织品 [1] 。研究表明，大豆蛋白纤维除了具备天然纤维的亲肤性和化学纤维优良的强伸性，还具有产生负离子、远红外发射及抗紫外线等保健功能，是开发高品质保健型面料的优良选择，同时，大豆蛋白纤维的原料来源丰富、价格低廉，具有较好的发展和推广空间 [2-4] 。
大豆蛋白纤维拥有保健功能是因为原料中的大豆蛋白含有的异黄酮和芳香族氨基酸如络氨酸等可以吸收部分的紫外线，同时，在纺丝过程中用了ZnSO 4做脱水剂，在后道工序的水洗工艺中加入了Na（OH） 2，ZnSO 4与之反应生成了Zn（OH） 2。Zn（OH） 2吸附在纤维的微孔中，经过高温烘干工艺最终转变为ZnO。这些ZnO微粒以共价键形式牢牢结合在纤维的微孔中，不易水洗脱落。ZnO微粒可以对入射的紫外线进行散射和反射，从而起到防紫外线的作用;大豆蛋白纤维中含有一种“蛋白质功能催离素”能在一定条件下释放电子，其产生的能量可以使空气发生电离，从而产生负离子;“蛋白质功能催离素”和ZnO微粒可以辐射出可被人体吸收的远红外线，使大豆蛋白纤维具有较高的远红外发射 性能 [5] 。
目前，关于大豆蛋白纤维保健功能的研究较少，本文探究了织物中大豆蛋白纤维含量和织物组织对大豆蛋白纤维交织物的负离子发生量、抗紫外线及远红外发射性能的影响。通过选用涤纶丝为经纱，大豆蛋白纤维和黏胶纤维为纬纱，试织了9种大豆蛋白纤维含量不同的试样和5种织物组织不同的试样，并测试其负离子发生量、抗紫外线和远红外性能;通过控制纬纱中大豆蛋白纤维所占投纬比例和相同投纬比例下变化不同的组织，深入研究大豆蛋白纤维交织物的负离子发生量、抗紫外线及远红外性能的变化，探究其保健性能，从而为开发大豆蛋白纤维面料提供一些思路。
1 大豆蛋白纤维的形态结构
本文采用的大豆蛋白纤维是大豆蛋白改性维纶纤维，蛋白质含量为23.4 % ，其单纤长度为38 mm，线密度为1.67 dtex（上海官奇纺织品有限公司）。通过扫描电镜（GeminiSEM500， 蔡司英国）对大豆蛋白纤维的横截面和表面形貌进行了观察，如图1所示。
从图1可以看出，大豆蛋白纤维的横截面为不规则的腰圆形，属于异形纤维，存在皮芯结构，表面比较光滑;纤维的纵向有明显的凹槽和细小的突兀，这种形态使大豆蛋白纤维同时具有了良好的导湿性与柔和的光泽 [6] 。
2 试样规格设计与性能测试方法
2.1 试样规格设计
试验使用的经纱为5.56 tex/24 f的涤纶丝（中纺面料科技有限公司），纬纱为14.76 tex的大豆蛋白纤维（上海官奇纺织品有限公司）和黏胶纤维（中纺面料科技有限公司），采用相同的工艺进行织造。
本文织造了14块面料试样，其中9块是在组织均为5枚纬缎的情况下按照大豆蛋白纤维在纬纱中的 含量由少增多进行试织的试样，5块是在大豆蛋白纤维与黏胶纤维的投纬比例为1 ︰ 1时，采用五种不同组织进行织造的试样。具体规格参数见表1和表2。
2.2 试样性能测试方法
2.2.1 织物的负离子发生量测定
参照GB/T 30128—2013《纺织品负离子发生量的检测和评价》用DLY-6A232纺织品负离子测试仪（杭州纽蓝科技有限公司）对试样进行负离子发生量的测试。试验方法是将两块试样固定在密闭仓中的上、下两个摩擦盘上，以92 r/min的速度进行摩擦，用负离子测试仪测定仓内的负离子含量，测试时间不少于3 min，单位为个/cm 3。
2.2.2 織物的抗紫外线性能测试
参照GB/T 18830—2009《纺织品防紫外线性能的评定》的规定，用UV-2000F纺织品抗紫外线因子测试仪（美国Labsphere公司）进行测试，用UV射线辐射试样，测出总的光谱透射比，并计算试样在315～400 nm波长内的紫外线辐射平均值 T （UVA） AV 与紫外线防护系数UPF值。
2.2.3 织物的远红外性能测试
参照GB/T 30127—2013《纺织品远红外性能的检测和评价》对试样进行测试，选用SGJ212A远红外发射率测试仪、SGJ211A纺织品远红外温升测试仪（浙江三工匠仪器有限公司）测试试样的远红外发射率和远红外辐照温升。远红外发射率的测试方法是采用波长为5～14 μm的远红外检测传感器，在试验热板温度稳定在（34±01） ℃时，分别测试试样与标准黑体的远红外辐射强度，然后计算出试样与标准黑体远红外辐射强度的比值，即为试样的远红外发射率;远红外辐照温升的测试方法是先记录测试前试样的表面温度，然后将试样放在距离辐射源500 mm处进行照射，30 s后记下试样的表面温度，测试前后试样表面的温差 T 即为试样的远红外辐射温升。
3 试样的功能性测试与分析
3.1 负离子性能测试与分析
负离子是原子或分子发生电离后，外层的电子脱离出来再与中性的原子或分子结合，从而使其带有负电荷。空气中缺少负离子不利于人的身体健康，负离子可以增强人体免疫力，改善空气质量，有效预防呼吸道疾病的发生 [7-8] 。
采用DLY-6A232纺织品负离子测试仪（杭州纽蓝科技有限公司）对试样进行负离子发生量的测试，测试结果如图2、图3所示。
在A系列织物中，试样A1～A9的负离子发生量随着纬纱中大豆蛋白纤维的含量增大而增加，其中试样A9的负离子发生量最大，达到2 730个/cm 3。
在B系列织物中，不同组织的织物负离子发生量不同，其中蜂巢组织的负离子发生量最高，达到了1 260个/cm 3，八枚纬缎和五枚纬缎次之，平纹最少。两个缎纹试样由于织物表面的纬组织点多，大豆蛋白纤维在织物表面所占比例大，因而负离子发生量较高。此外，织物能产生负离子还因为其在受到摩擦时，会产生静电荷，这些电荷就通过织物表面的毛羽向周围的空气放电，从而使空气发生电离产生负离子 [5] 。因此，织物表面的毛羽多少和粗糙程度会影响负离子的发生能力，蜂巢织物表面呈凹凸状，且织物比较蓬松、毛羽多，在受到摩擦时产生的负离子也较多，而平纹织物表面平整紧实，受到摩擦时产生的负离子最少。
按照表3中GB/T 30128—2013的评价标准对试样的负离子发生量进行了评价。由试验数据可知，在A系列织物中，当纬纱中大豆蛋白纤维含量大于50 % 时织物具有较高的负离子发生量，试样中除试样A1、A2的负离子发生量较低，其余试样的负离子发生量均处于中高水平;在B系列织物中，试样的负离子发生量均处于中高水平，其中蜂巢织物、五枚缎纹和八枚缎纹织物的负离子发生量都处于较高水平。
3.2 抗紫外线性能测试与分析
紫外线的波长通常在200～400 nm，其中波长小于280 nm 的短波在到达地面前就可被臭氧吸收，而波长大于280 nm的长波能穿过臭氧层，到达地球表面，对人的皮肤造成伤害，测试织物的防紫外线性能主要就是测量紫外线中长波的透过率 [9] 。采用UV-2000F纺织品抗紫外线因子测试仪（美国Labsphere公司）测试试样的 T （UVA） AV （波长在315～400 nm的紫外线辐射平均值）和UPF值，测试结果如图4、图5所示。
由图4可知，在A系列织物中，试样的抗紫外线性能随着纬纱中大豆蛋白纤维的含量增大而增强。当纬纱中大豆蛋白含量为100 % 时，抗紫外线性能最佳，UPF值达到241.24，UVA平均透射率只有2.61 % 。
由圖5可知，在B系列织物中，织物的抗紫外线的性能与织物组织有关。其中八枚纬缎的抗紫外线性能最好，五枚缎纹次之，蜂巢织物最差。这是由于在其他工艺规格相同情况下，组织浮长较长的织物平整度较好，织物表面的空隙较少，抗紫外线能力相对较强;织物交织次数越多，则经纬纱屈曲越多，织物表面越不平整，反射紫外线的能力就越差，抗紫外线性能也越差 [10] 。
织物的紧度也会影响抗紫外线性能，紧度大的织物抗紫外线性能较好。在织物其他规格相同、组织不同时，经纬纱交织情况会影响织物的紧度。根据织物紧度的定义，可由公式（1）（2）（3）计算出B系列织物的紧度：
E j / % = R j d j （R j -t w ）d j +t w d 2 w +2d j d w ×100 （1）
E w / % = R w d w （R w -t j ）d w +t j d 2 j +2d j d w ×100 （2）
E 总/ % =E j +E w - E j E w 100 （3）
式中： E j、 E w分别为织物经纬向紧度， E 总 为织物总紧度; R j、 R w分别为一个组织循环中经纬纱根数; t j、 t w分别一个组织循环中纬纱、经纱的交错次数; d j、 d w分别为经纬纱的直径，mm。
直径可用公式（4）进行近似计算：
d=k d T t （4）
式中： d 为纱线直径，mm; k d为纱线直径吸收， k dj 取0.040 4， k dw 取0.037 7。
经计算，B系列织物的紧度分别为92.82 % 、97.20 % 、
9818 % 、95.78 % 、98.00 % 和99.05 % 。八枚缎纹的紧度最大，浮长最长，因此具有最好的抗紫外性能;蜂巢织物的紧度虽然也较大，但其表面极不平整，使得其漫反射增加，反射紫外线的能力下降，抗紫外线能力最差;平纹织物的组织浮长是最短的，紧度最小，抗紫外线能力仅好于蜂巢织物。
根据GB/T 18830—2009中关于防紫外线产品的评定标准，织物需满足UPF>40，且 T （UVA） AV <5 % ，才可称作“防紫外线产品”;当40
3.3 远红外发射性能测试与分析
远红外线的波长一般在4～1 000 μm，人体和周围环境均可以向外辐射出一定波长的远红外线，当人体受到与自身辐射波长相近的远红外线辐射时，人体内的细胞会发生共振，产生热效应，从而加快体内血液循环的速度。远红外纺织品就是通过向人体辐射一定波长的远红外线来达到促进新陈代谢的作用 [11-12] 。
试验采用SGJ212A远红外发射率测试仪和SGJ211A纺织品远红外温升测试仪分别测试试样的远红外发射率和远红外辐射温升，测试结果如图6、图7所示。
由图6可以看出，在A系列织物中，当组织相同时织物的远红外发射率随着纬纱中大豆蛋白纤维含量的增加而增大。当纬纱中大豆蛋白纤维含量超过60 % 后，远红外发射率的增长逐渐变缓;当纬纱全为大豆蛋白纤维时，试样的远红外发射率最大，达到0.936 % ;试样的辐照温升也随着大豆蛋白纤维含量的增加而增大，但是变化幅度不明显。
由图7可知，在B系列织物中，蜂巢织物的远红外发射率最高，2/1斜纹织物次之，8/5纬缎的远红外发射率最低。织物的远红外发射率会受到织物表面粗糙程度及厚度等因素的影响，织物表面越粗糙，厚度越厚，织物的远红外发射率越大 [13] 。蜂巢织物表面不平整，结构较蓬松，在其他织造参数相同的情况下，其为6组试样中最厚的织物，因此，蜂巢织物的远红外发射率最大。缎纹织物表面光滑且轻薄，远红外发射率较低。织物的辐照温升与远红外发射率的变化规律基本一致。
按照GB/T 30127—2013中对织物的远红外发射性能的评价标准，远红外纺织品的远红外发射率不应低于0.88，同时远红外辐射温升不应低于1.4 ℃。因此，在A系列织物中，当纬纱中大豆蛋白纤维含量大于66.67 % 时织物具有远红外性能;在B系列织物中，只有蜂巢织物和2/1斜纹织物符合远红外性能织物的标准。
4 模糊综合分析
对于A系列织物来说，织物的负离子、抗紫外线及远红外性能都随着大豆蛋白纤维比例的增大而增强，故不难看出试样A9是其中综合性能最优的。而对于B系列织物，不同的组织对本文所探究的三种性能的影响不尽相同，并不能直观地看出哪个组织的试样是综合性能最好的。因此，本文采用模糊综合评判的方法对B系列织物进行综合评价，选出综合性能最好的织物。
4.1 因素集和评判集
因素集 U ={u 1，u 2，u 3，u 4，u 5} ={负离子发生量， T （UVA） AV ， UPF值，远红外发射率，远红外辐照温升};评判集為B系列的6组试样，即评判集 V ={B1，B2，B3，B4，B5，B6} 。
4.2 综合评判变换矩阵
评价对象的各个性能指标的单位、数量级不同，需对各组数据进行标准化处理才能进行比较。标准化公式如公式（5）所示 [14] ：
R i= U i-U min U max -U min （5）
式中： U i 为试样某一指标的数值; U min 为所有试样中该指标的最小值; U max 为所有试样中该指标的最大值。
由于 T （UVA） AV 值与织物抗紫外线性能呈负相关，所以 T （UVA） AV 标 准化值为1- R i 。
经计算，综合评判矩阵如下：
R = 0.000 0.473 1.000 0.218 0.836 0.745 0.016 0.350 0.000 0.111 1.000 0.938 0.211 0.256 0.000 0.168 1.000 0.834 0.871 0.625 1.000 0.774 0.000 0.290 0.000 0.750 1.000 1.000 0.750 0.750
4.3 权重集
由于不同的人对织物的这三种性能的要求和偏好有所不同， 本文通过问卷的形式让纺织相关专业的研究生和老师对这五个指标按重要程度由高到低进行排序，排第一的计5分，第二的计4分，以此类推，排最后的计1分。根据问卷结果算出各项指标的平均分，计算出权重系数，最终得到权重阵（0.25， 0.15，0.30，0.175，0.125），即负离子发生量、 T （UVA） AV 、UPF值、远红外发射率、远红外辐照温升的权重系数分别为0.25、0.15、0.30、0.175、0.125。
4.4 综合评判结果
综合评判值 B = A · R ，评判值越大，综合性能越优。经过计算可得：
B =（0.218，0.454，0.55，0.382，0.753，0.722）
由上述结果可知，B系列6种试样的综合性能由好到差依次为B5、B6、B3、B2、B4、B1。因此，八枚纬缎织物是综合性能最佳的试样，五枚纬缎织物次之，平纹织物最差。
5 结 论
本文以涤纶丝、大豆蛋白纤维及黏胶纤维为原料，试织了共14种交织物，并对每一种织物进行了负离子发生量、抗紫外线性能和远红外性能测试，得到如下结论。
1） 在其他条件相同情况下，织物中大豆蛋白纤维含量增大时，织物的负离子发生量、抗紫外线性能和远红外性能随之提高。织物组织会影响织物的负离子发生量和抗紫外线性能，表面平整度低且毛羽多的织物负离子发生量较大;组织点少、浮长较长、紧度大的织物抗紫外线性能较好;织物组织对织物的远红外性能影响不大，对于表面比较粗糙、厚度较厚的织物，远红外性能会相对好一些。
2） 通过模糊综合评判，八枚纬缎的负离子发生量、抗紫外线性能和远红外性能综合来看是B系列织物中最佳的。
综上，大豆蛋白纤维具有良好的负离子、抗紫外线和远红外性能，当织物中大豆蛋白纤维达到一定比例时，织物的该三种性能均可以达到相应的国家标准，可以为开发大豆蛋白纤维纺织品提供一些参考。
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Research on the health care property of soybean fiber intertexture
ZHOU Jinghong， ZHANG Hongxia， ZHU Chengyan， TIAN Wei， LI Yanqing， WANG Ningning， Q Yi
（National & Local United Engineering Laboratory on Textile Fiber Materials and Processing Technology， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）
Abstract：
In recent years， with the improvement of living standards， peoples health awareness has been constantly enhanced. In addition to requiring beautiful and durable textiles， people have also put forward requirements for the health care of textiles. As a result， the development of health care textiles becomes a trend. As a kind of modified protein fiber， soybean protein fiber with many advantages of both chemical fiber and natural fiber， as well as the health care property of generating negative ions， emitting far infrared and resisting ultraviolet rays， has become an excellent choice for developing health care textiles. However， at present， the domestic and foreign research on soybean protein fiber fabric mainly focuses on its basic wearability， while there are few studies on its functional performance， lacking relevant literature as the reference for the development of health care soybean protein fiber fabric.
In order to explore the health care property of soybean protein fiber and provide basis for developing soybean protein fiber fabric in the future， we carried out a series of experiments. In this paper， the cross section and longitudinal morphology of soybean protein fiber were observed by scanning electron microscopy， and then， two groups of soybean protein fiber intertexture samples were woven. The negative-ion concentration， far infrared emission and ultraviolet resistant properties of the fabric were tested. In one group， with polyester as the warp yarn and soybean protein fiber and viscose as the weft yarn， fabrics were woven at the weft insertion ratio of 0 ︰ 1， 1 ︰ 4， 1 ︰ 3， 1 ︰ 2， 1 ︰ 1， 2 ︰ 1， 3 ︰ 1， 4 ︰ 1 and 1 ︰ 0 with five-heddle satin weaves， respectively. The effects of changes in soybean protein fiber content on the above three properties of the fabric were investigated. In the other group， with polyester as the warp yarn andsoybean protein fiber and viscose as the weft yarn， and a weft insertion proportion of 1 ︰ 1， a total of six kinds of different fabric weaves of plain， four-heddle broken twill， honeycomb weave， 2/1 twill， eight-heddle weft satin and five-heddle weft satin were woven respectively. The influence of fabric weave on the above three properties of soybean protein fiber intertexture was investigated.
By analyzing the test results， the following conclusions are drawn： the cross section of soybean protein fiber is ovaloid with skin core structure， and the fiber has obvious longitudinal grooves， and the surface is not smooth， which makes the soybean protein fiber have soft luster and good moisture conductivity. The negative-ion concentration， far infrared emission and ultraviolet resistant property of soybean protein fiber intertexture are positively correlated with soybean protein fiber content. When the weft yarn is made of soybean protein fiber， the three properties of the intertexture are the best. Fabric weave has a certain effect on the health care property of soybean protein fiber intertexture. In samples with different fabric weaves， honeycomb weave exhibits the best negative-ion concentration and far-infrared property and the worst ultraviolet resistant property. Eight-heddle satin weave has the best ultraviolet resistant property and the worst far-infrared property， and the negative-ion concentration of plain weave is the least. Through the comprehensive analysis of fuzzy mathematics， eight-heddle satin weave is the best among the three. The negative-ion concentration， far infrared emission and ultraviolet resistant property of soybean protein fiber intertexture in this paper have reached the corresponding national standards， indicating that soybean protein fiber has good health care property.
This paper studies and verifies the health care property of soybean protein fiber intertexture. The research results can provide some references for developing soybean protein fiber fabrics that both meet the market requirements and meet peoples needs for health care textiles.
Key words：
soybean protein fiber; far infrared; negative ions; ultraviolet resistance; intertexture
