角蛋白/酸法明胶自组装体制备及其上浆性能研究

苏小舟，李增贝，邓欣洁，黄 鑫

(1.中原工学院 纺织学院，河南 郑州 450007； 2.郑州市绿色染整技术重点实验室，河南 郑州 450007)

聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，PVA)是一种常用的纺织浆料，其具有优良的黏附性和成膜性，适合合成纤维长丝的上浆，但因为其生物降解机能差，退浆易残留，已被限制或者禁止使用[1-2]。研发与PVA有着相似性能的可生物降解替代浆料一直是纺织业所关注的问题[3-4]。因此，使用天然可降解、可再生高分子物质来发展新型的上浆技术对于纺织行业的可持续发展是非常必要的。

角蛋白是一种具有应用前景的绿色环保型纺织浆料，其是由分子内与分子间各种分子力结合而成的具有复杂三维结构的生物大分子，其有一定成膜性，并且溶液具有强烈的自组装趋势[5]。角蛋白含有较多的亲水及疏水基团，对多数纤维亲和力较强；丰富的官能团也易于进行改性处理[6]。明胶可作为浆料应用于粘胶长丝、铜氨纤维的上浆，其对天然纤维具有较强的黏附性，其浆膜强度高，但伸长和弹性差，浆膜粗硬，缺乏韧性，容易脆裂[7-8]。目前，已经有使用角蛋白及角蛋白的聚丙烯酸接枝产物，或者将明胶与丙烯酸酯类化合物进行聚合来对经纱进行上浆并且取得了一定效果，但其性能存在一定的局限并且改性成本较高，部分组分还显示出一定毒性[9-10]。

高分子自组装机制及其组装聚集体的结构和性能研究一直是超分子化学领域的研究重点。利用双亲性嵌段共聚物通过自组装技术构筑具有复杂结构和功能化新型组装体复合材料，在越来越多的研究领域得到广泛的应用。纳米尺度的自组装复合体可用于生物体药物包埋与缓释[11-13]，作为负载酶、金属纳米粒子、半导体材料等的载体用于细胞显影或者生物催化领域[14]，用于制备pH值或温度响应型智能化纳米传感器件[15-16]；另外，各种形貌及特性的具有吸附、重组、相变等能力的自组装复合体，可应用于工业污水处理、土壤修复、环境保护等领域[17-18]。然而，国内外目前还未有将自组装技术应用于纺织浆料的工业化制备和绿色改进方面的研究报道。蛋白质也是一种双亲性嵌段共聚物，其形成具有一定结构和性能的自组装体，兼具不同蛋白质的优良特性，发挥协同增效效应，具有广阔的应用前景[19-21]。本文采用疏水的角蛋白与亲水的明胶在特定条件下发生组装，制备出角蛋白/明胶自组装体，并对制备的自组装体进行结构形貌表征，使用该自组装体配制的浆料对涤纶纱线进行上浆，研究自组装作用对纱线上浆性能的影响，以期通过自组装方法找到替代PVA浆料的科学途径，开辟不通过化学改性及合成途径制备新型绿色纱线上浆料的新途径。

1 实 验

1.1 实验试剂

酸法明胶(试剂级，A型明胶，来源于猪皮肤，Sigma公司)；山羊毛(8.4 tex安哥拉细羊毛，南宫市雅顺绒毛有限公司)；涤纶细纱样品 (环锭纺涤纶纱，线密度9.8 tex×2，浦江一纤纺织有限公司)；PVA(PVA-117，聚合度1 725±25，醇解度98%，黏度值2.083 mPa·s，深创化工有限公司)，其他化学试剂均为分析纯。

1.2 实验仪器

PPM-5512型有机合成装置(东京理化器械株式会社)；VCX750型超声波细胞破碎仪(美国Sonic公司)；S-4800型场发射扫描电子显微镜(日本Hitachi公司)；SPA400-SPI3800N型原子力显微镜(日本精工株式会社)；Tecnai F20型透射电子显微镜(美国FEI 公司)；Tensor 37型红外光谱仪(德国Bruker公司)；STA409型热重分析仪(德国耐驰公司)；Zetasizer Nano ZS90型激光粒度仪(英国马尔文公司)；R/S plus型流变仪(美国Brookfield公司)；UV-1800型紫外可见分光光度计(日本岛津公司)；冷冻干燥机(美国Labconco公司)；TCS-2000 MTS型拉伸测试仪(GOTECH有限责任公司)；Y109型纱线自动纱线耐磨仪(常州纺织仪器厂有限公司)；YG061F型电子单纱强力机(莱州市电子仪器有限公司)。

1.3 实验方法

1.3.1 原料的准备

95 ℃下使用NaOH、30%H2O2、NaHSO3分别按照质量分数4.5%、5.5%、6.0%加入去离子水中，在pH值≥13的条件下溶解洗净脱脂后的山羊毛，使用2.0 μm孔径的Millipore过滤器过滤溶液除去溶液中的不溶性杂质，得到角蛋白水溶液。使用去离子水配制质量分数3%的角蛋白及明胶溶液，使用高效液相色谱法对其分子量进行测定。

1.3.2 自组装复合体浆料的制备

以上步骤制备的羊毛角蛋白的等电点为4.6，酸法明胶的等电点为8.5，调节混合蛋白溶液的pH值使其位于2种蛋白的等电点之间，此时，角蛋白分子带负电荷，而明胶分子带正电荷，通过精确调节体系pH值及2种蛋白的比例，可以使其通过静电吸引力制备新型的自组装体。

自组装浆料的制备方法：将制备好质量分数为3%的明胶与角蛋白溶液按照不同质量比(4∶1，3∶2，1∶1，2∶3，1∶4)混合，加入蛋白质量分数0.25%的乳化剂山梨糖醇酐单油酸酯(Span-80)，再加入总质量0.1%的表面活性剂正己醇，搅拌均匀，使用超声波细胞破碎仪处理30 min (500 W,20 kHz)，处理完毕后注入到有机合成装置反应器中，设定转速为80 r/min，温度45 ℃，均匀混合2 h。加入与混合液等体积的柠檬酸缓冲液(0.1 mol/L，pH值5.6)，在此条件下持续组装18 h，为了得到形貌和结构稳定的自组装浆料粒子，并不对浆料的基本性能产生显著的影响，本文实验加入了微量的戊二醛(0.15%)固定剂，对制备的自组装体结构进行固定，得到自组装体复合浆料。步骤可以归纳为：共混→加入表面活性剂→加入分散剂→超声波处理→引入缓冲体系→典型性静电自组装→固定。

未组装浆料的制备方法：未组装浆料的制备方法与上述自组装浆料的步骤相似，不同之处是未组装浆料没有引入柠檬酸缓冲液(0.1 mol/L，pH值5.6)体系，因此蛋白之间不会发生典型的静电自组装，主要发生的是蛋白间的共混、氢键及疏水相互作用参与非典型性自组装。步骤可以归纳为：共混→加入表面活性剂→加入分散剂→超声波处理→非典型性自组装→固定。

1.3.3 自组装浆料性能的测定

自组装效率测定：采用邻苯二甲醛(OPA)法测定自组装浆料的组装效率，即通过测定Maillard反应前后自由氨基数目的改变量来计算自组装体的自组装效率。将80 mg邻苯二甲醛加入到2 mL 95%乙醇溶液中，再准备pH值为9.5的0.1 mol/L Na2B4O7溶液，将这2种溶液转入至100 mL容量瓶中，加入10 mL 10%SDS(十二烷基苯磺酸钠)溶液和0.2 mL的巯基乙醇并定容至100 mL。将0.1 mL不同质量比混合及组装的质量分数为1.5%的角蛋白/酸法明胶溶液与2.7 mL OPA溶液混合，并在UV/Vis分光光度计上在340 nm处测定其吸光度。使用L-亮氨酸作为标样并且在相同的条件下制备标准曲线。自组装效率的测定公式为：

(1)

式中:A0代表自组装前溶液的吸光度，Ar代表自组装后溶液的吸光度。

扫描电子显微镜(SEM)表征：将自组装体浆料(1.5%)使用去离子水稀释500倍，滴加在单面硅片表面，室温下自然晾干，再使用去离子水洗涤3次，以除去盐类等成分，室温下自然晾干。测试前将样品置于(23±2) ℃，装有饱和Mg(NO3)2·6H2O相对湿度(50±2)%的干燥器中干燥12 h，观测前对样品进行喷金处理。使用场发射扫描电子显微镜对胶束形貌进行观察，测试电压为3.0 kV，为了防止电子束长时间照射对蛋白样品的变性影响，实验中加入液氮来降低样品温度。

原子力显微镜(AFM)表征：吸取自组装体浆料滴加在新开裂的云母片表面上自然晾干，用去离子水轻轻冲洗云母表面，冲洗3次自然晾干，使用原子力显微镜进行观测。

透射电子显微镜(TEM)表征：使用透射电子显微镜进行观测，测试电压为10 kV。观测所使用的自组装体溶液的质量浓度为0.5 mg/mL，所使用微栅铜网孔径为62 μm(230目)。

傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析：使用红外光谱仪对样品进行检测，检测前使用冷冻干燥机对样品进行干燥处理以排除水分的影响。

微分热重(DSC)分析：将自组装体浆料放置在玻璃皿上自然晾干，将白色固体刮下研磨至粉末状，测试前将样品置于低温干燥器中干燥4 h，以排除水分对测试带来的影响。使用热重分析仪进行分析测定，测试温度范围为室温至350 ℃，升温速率为10 ℃/min。

动态光散射分析(DSL)：自组装体浆料的水合力学粒径使用激光粒度仪采用动态光散射法测定，测定在25 ℃下进行，仪器设置的散射角度为90°。

1.3.4 自组装体浆料对涤纶细纱进行上浆

将按照1.3.2步骤制备好自组装体浆料的pH值调节至8.0，将涤纶细纱样品浸入65 ℃上浆液中浸泡10 min完成上浆。上浆后将样品室温下自然晾干，将上浆前后的样品放入的烘箱(60 ℃)中干燥15 min，计算浆料对涤纶细纱的上浆率。同时，配制等浓度的未组装浆料、PVA浆料及角蛋白浆料作为对照。

1.3.5 自组装浆料对涤纶细纱上浆性能测定

自组装浆料的黏度测定：自组装浆料、角蛋白浆料及PVA浆料的黏度在流变仪上测得。每次测试取50 mg浆料放入CC-25杯子里，在3 000 s-1剪切速率下测得。测试时将主轴和杯子同时放在90 ℃的水浴中，确保测试时样品温度恒定不变。每个样品至少重复3次，取平均值。

自组装浆料成膜性测定：将制备好的不同质量比的蛋白溶液浓缩至5%，加入蛋白质量10%的甘油混合均匀，置于聚四氟乙烯模具中成膜，在25 ℃，相对湿度为65%的条件下干燥24 h成膜，使用MTS拉伸测试仪根据ASTM D882—98《塑料薄片拉伸性能的标准试验方法》测定其伸长率、抗张强度。

浆纱的耐磨性测定：纱线耐磨性测试在纱线自动纱线耐磨仪上测定，记录纱线断裂时的平均摩擦次数，摩擦次数越多，表面纱线的耐磨性越好。

浆纱的拉伸性能测定：在YG061F型电子单纱强力机上测试上浆好的纱线的拉伸强度和断裂伸长率。每个上浆条件的样品至少重复测试5次。测试参数：温度20 ℃，相对湿度65%，隔距250 mm，速度250 mm/min。

1.3.6 退 浆

取纱线上浆时的最高上浆率，对浆好的纱线进行退浆，同时比较蛋白浆料和PVA浆料的退浆率。纱线与水质量比分别为5∶1和10∶1，漂洗1～2次，退浆温度90、60 ℃，浸泡时间85～120 min。退浆之后，用清水冲洗织物，并在80 ℃干燥织物。称量退浆前后织物质量差异来计算退浆率。

(2)

2 结果与讨论

2.1 自组装浆料的组装效率

自组装浆料的组装效率与自组装前后溶液在340 nm处的吸光度成正比，其吸光度A值与自由氨基浓度C呈线性拟合，经测定标准曲线方程如下：A=0.212 7C+ 0.108 4(R2=0.999 6)，说明在L-亮氨酸质量浓度在50～800 μg/mL的范围内具有良好的线性关系。使用相同质量分数(1.5%)m(角蛋白)∶m(明胶)=(4∶1，3∶2，1∶1，2∶3，1∶4)的角蛋白/明胶溶液在组装前后测定其吸光度的变化，计算其组装效率，结果见图1。可以看出，在不同的质量比下，自组装效率最高值为73.20%，对应的m(角蛋白)∶m(明胶)=3∶2，其他自组装效率由高到低的质量比例为2∶3, 1∶1, 4∶1, 1∶4, 最低的自组装率(39.12%)所对应的m(角蛋白)∶m(明胶)=1∶4。

图1 不同质量比的角蛋白/明胶所制备 自组装浆料的组装效率Fig.1 Assembly efficiency of the complex micelles prepared under different weight ratio(keratin/gelatin)

2.2 自组装浆料微观形貌与结构

选取角蛋白与酸法明胶质量比为3∶2时制备的自组装浆料，运用SEM、AFM及TEM进行观察，结果见图2。从图2可以看出自组装体浆料形貌呈现出典型的球形，并且有着明显的壳核结构，自组装体呈现为均匀的纳米粒子，其粒径在70～100 nm之间，平均值为75.6 nm。DLS测试结果见图3。图中，峰1所代表的粒径为50.24 nm，强度值为85.27%，峰2所代表的粒径为6.31 nm, 强度值为14.73%，多分散系数(PDI)值为0.216。以上结果表明所制备的自组装浆料颗粒分散性较好，能制备成一种稳定的纳米胶束溶液，展现出作为浆料的优异性能。

图2 m(角蛋白)∶m(明胶)=3∶2时所制备 自组装浆料粒子微观图Fig.2 Micrograph of self-assembled slurry particles prepared by m(keratin)∶m(gelatin)=3∶2.(a)Scanning electron microscopy of assembled slurry particles (×50 000);(b)Atomic force microscope image of assembled slurry particles; (c)Transmission electron microscopy of assembled slurry particles

图3 m(角蛋白)∶m(明胶)=3∶2时 自组装浆料的统计学粒径分布图Fig.3 Statistical particle size distribution diagram of self- assembled slurry prepared by m(keratin)∶m(gelatin)=3∶2

采用红外光谱分析角蛋白与酸法明胶自组装前后的化学键变化情况。角蛋白/明胶自组装浆料组装前后的傅里叶红外光谱图见图4。图4显示，经过自组装后，在1 215、1 276、1 432、1 491、1 534 cm-1处产生多个新吸收峰，其对应的自组装前的吸收峰为1 223、1 281、1 494、1 532 cm-1，分别对应的是C—N、C—O键的伸缩振动吸收峰，—CH2—键扭曲震动及面外摇摆，—COH面内弯曲，—NH3+对称变角等变化所引起的震动吸收峰。因此，可以推断在经过自组装后蛋白质肽链上的酰胺键、羧基、羟基、酯基等大多数基团都受到自组装效应的显著影响而发生了位移，形成了新的结构。

图4 角蛋白/明胶自组装浆料组装前后红外光谱图Fig.4 Fourier infrared spectra of keratin/gelatin self-assembly slurry before and after assembly

自组装浆料组装前后的热重分析如图5所示。经过组装后，较宽的吸收峰P1(55～180 ℃)发生位移，变化为P5吸收峰(48～170 ℃)。说明经过自组装后角蛋白/明胶的水化晶体结构发生了一些变化，相变温度降低，这与明胶成分的引入及其角蛋白发生的静电结合有关。P2(225 ℃)，P3(256 ℃)峰分别为未经组装晶体的开裂峰及氢键、盐键和范德华力的断裂峰，可以看出经过组装后其对应的峰P6(237 ℃)及P7(285 ℃)温度有所升高，说明经过自组装过程后，胶束内的静电作用力、范德华力、氢键、盐键及疏水相互作用重新进行整合，导致自组装后的胶束在温度(180～285 ℃)范围内稳定性提高。P4(296 ℃)峰是未组装胶束的蛋白肽链的液化断裂峰，经过自组装后此峰为P8(298 ℃)，温度略有上升。分析推断经过组装后复合体的晶区和非晶区的比例构成发生了一定变化，结晶区的比例升高导致了经过自组装后的浆料上浆的纤维比未组装的浆料上浆的纤维具有更好的力学性能和耐摩擦性能。

图5 自组装浆料组装前后的DSC图 (m(角蛋白)∶m(明胶)=3∶2)Fig.5 DSC images of the complex micelles before and after assembly (m(keratin)∶m(gelatin)=3∶2)

2.3 不同浆料处理后涤纶表面形貌

采用SEM技术表征角蛋白浆料、PVA浆料、角蛋白/酸法明胶未组装浆料及自组装溶液分别对涤纶纤维上浆后的表面形貌，不同浆料上浆后的涤纶细纱表面形貌图见图6。

图6 不同浆料上浆后的涤纶细纱表面形貌图(×8 000)Fig.6 Surface morphology of polyester fiber after sizing with different sizing materials (×8 000). (a) Keratin slurry; (b) PVA slurry; (c) Un-assembled slurry; (d) Assembled slurry.

图6示出，经过角蛋白浆料处理后的涤纶纤维表面有一些沟壑和毛刺(图6(a))，而经PVA处理的涤纶纤维表面平整度较角蛋白处理要好(图6(b))。而经过角蛋白/酸法明胶未组装浆料上浆后，涤纶纤维表面仍然存在不少沟壑(图6(c))，角蛋白/酸法明胶自组装浆料上浆后涤纶表面非常平整(图6(d))。通过检测当m(角蛋白)∶m(明胶)=3∶2时所得到的自组装浆料的重均分子量在35 320 Da，这比单独的角蛋白(6 788 Da)和明胶(13 223 Da)的重均分子量都要大，因此自组装作用得到了分子量更大的自组装体，这在一定程度上也赋予了浆膜更高的力学性能与耐摩擦能力。另外当浆料质量分数都为3%时，经测定自组装浆料与未组装浆料(m(角蛋白)∶m(明胶)=3∶2)，及PVA浆料的黏度分别为1.852、1.632、2.154 mPa·s, 可见自组装浆料的黏度具备了纱线上浆料的基本特性。

2.4 不同浆料处理对浆纱强伸性能的影响

使用电子单纱强力机对经过自组装浆料与未组装浆料，角蛋白浆料、PVA浆料处理过的涤纶细纱进行对比测试，测定值包括拉伸强力、断裂伸长率、断裂强度，不同浆料对浆纱强伸性能的影响将表1。可以看出，经过自组装浆料处理后，涤纶细纱的拉伸强力、断裂伸长率、断裂强度比未组装浆料的拉伸强力、断裂伸长率、断裂强度普遍要高；另外，经过自组装浆料处理的涤纶细纱比PVA浆料及角蛋白浆料的整体强力要高，最高值为(523.7±11) cN，提升了1.23倍及1.30倍，此时对应的m(角蛋白)∶m(明胶)=3∶2，对应的断裂伸长率值也为最高为(13.56±0.35)%，而对应的拉伸强度为(17.46±0.01)cN/dtex，处于较高的值范围；而m(角蛋白)∶m(明胶)=4∶1时对应的拉伸强度最高，为(19.60±0.03) cN/dtex，说明自组装效应能显著提高纱线的力学性能。

表1 不同浆料对浆纱强伸性能的影响(PVA对照)Tab.1 Effect of assembled/unassembled size on slashing tensile property (PVA control)

2.5 浆料薄膜的力学性能

使用不同质量比的自组装浆料、未组装浆料以及角蛋白浆料制备薄膜，对其拉伸性能进行了测定，结果见表2。可以看出，自组装浆料所制备的薄膜的弹性模量、断裂伸长率及抗张强度相比较未组装浆料所制备的薄膜都得到了明显增加。薄膜的弹性模量在m(角蛋白)∶m(明胶)=2∶3时达到最大,为(352±24 ) MPa, 而薄膜的伸长率和抗张强度在m(角蛋白)∶m(明胶)=3∶2时达到最大值，分别为(62.8±3.7)%及(23.1±1.2) MPa。

表2 不同浆料制备的薄膜的力学性能Tab.2 Mechanical properties of films prepared by different slurry

2.6 不同自组装浆料浆纱的耐磨性能

使用不同质量比角蛋白/明胶制备的自组装浆料、未组装浆料及PVA浆料对涤纶上浆后，对涤纶纱线的耐磨性进行了测试, 自组装、未组装浆料及PVA浆料对涤纶纱线上浆后的耐磨性测试结果见图7。可以看出，组装后涤纶纱线的耐磨性能比未组装的纱线耐磨性能要好；当m(角蛋白)∶m(明胶)=3∶2时，涤纶的耐磨次数最高为361次。另外组装后涤纶细纱的耐磨次数比PVA上浆后的涤纶细纱的耐磨次数可提升10%～30%。

图7 自组装、未组装浆料及PVA浆料对 涤纶纱线上浆后的耐磨性测试Fig.7 Wear resistance test of polyester yarn after sizing with assembled, unassembled and PVA sizes

2.7 浆料的退浆率

不同浆料的退浆率测试结果见表3。可以看出，在不同温度、不同水与纱线质量比及不同漂洗次数下，经过自组装浆料处理的涤纶细纱退浆率比未组装及角蛋白、PVA处理的纱线退浆率普遍要高。在退浆条件为质量比(水与纱线)为5∶1，洗涤与漂洗次数都为2次，退浆温度为90 ℃时，退浆率最高为PVA浆料(99.5±0.4)%，自组装浆料的退浆率为(98.5±0.2)%，当温度为60 ℃，其他条件相同时，PVA此时的退浆率只有(66.3±0.7)%，自组装浆料的退浆率仍在较高的水平，为(97.2±0.5)%，从节能及环保的角度考虑，降低退浆温度，较少水的消耗来说，自组装浆料比PVA浆料有着更好的应用前景。

表3 不同浆料在不同条件下的退浆能力Tab.3 Desizing capacity of different sizes under different conditions

2.8 自组装浆料的制备与上浆过程的关系

通过精确调节体系pH值及蛋白质比例，角蛋白分子与明胶分子肽链之间产生了典型的静电吸引力，另外蛋白质分子中的—NH2，—NH3+，—COOH、—COO—等基团也通过氢键参与了自组装过程，疏水的角蛋白分子与亲水的明胶分子通过疏水相互作用也参与了自组装过程。因此角蛋白/酸法明胶自组装浆料是一种以静电自组装为主要驱动力所形成的具有新型结构和功能的自组装体。另外，此种自组装体是一种纳米胶束，比普通的粒径较大的上浆料对纤维具有更大的穿透优势和黏附力及内聚力，其更容易进入纤维中与纤维表面结合，上浆过程如图8所示，首先较多的纳米浆料分子穿透纤维进入纤维之间，吸附在纤维表面，随着浆料分子的增多互相聚集，最后随着水分的蒸发聚集成膜结合覆盖在纤维表面。

通过对自组装浆料的制备和上浆过程的研究，可以开拓性地使用不同性质嵌段共聚物，不同蛋白材料，无机-有机材料，利用静电相互作用、金属离子螯合作用、配位键作用、共价键作用、亲疏水相互作用等作用力，使不同材料发生结合，形成具有协同性的增强性环保上浆新型材料。

图8 自组装浆料对纤维的上浆模式图Fig.8 Sizing pattern diagram of self-assembled size for fiber

3 结 论

使用角蛋白与酸法明胶，通过控制解蛋白与明胶的质量比、体系pH值、自组装效率等因素制备典型的静电自组装体复合浆料，并作为PVA替代品对涤纶纱线进行上浆。研究结果表明：经过自组装浆料处理后的涤纶细纱比PVA浆料及角蛋白浆料处理后的细纱整体强力要高，当角蛋白与明胶的质量比为3∶2时，强力最高值可达(523.7±11) cN，对应的断裂伸长率值为(13.56±0.35) cN/dtex。自组装浆料上浆后涤纶纱线的耐磨性能优于未上浆纱线，当角蛋白和酸法明胶质量比为3∶2时，涤纶的耐磨次数最高为361次。另外，经过自组装溶液上浆后涤纶表面更加平整，浆料的退浆率高达(97.2±0.5)%。因此，使用角蛋白/酸法明胶自组装浆料对涤纶纱线进行上浆是一种新型节能的方法，可替代传统PVA浆料，展现出较好的应用前景和经济价值。