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CN103102695A - 再生角蛋白溶液的制备及湿法纺丝的方法 - Google Patents

再生角蛋白溶液的制备及湿法纺丝的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于天然高分子材料应用领域，涉及一种再生角蛋白溶液的制备及湿法纺丝的方法，其以猪毛、山羊毛、绵羊毛、兔毛、骆驼毛、耗牛毛等动物粗毛，以及无纺织利用价值的羊毛和废弃毛纺织品为原料，用非离子表面活性剂洗涤去脂后，利用超细粉碎技术粉碎成纳米级的微细粉，在此基础上选用具有膨化作用的ZnCl2和尿素混合溶液使角蛋白微细粉充分溶胀，再用离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐或1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯溶解，得到再生角蛋白纺丝溶液，该溶液具有角蛋白浓度高、溶解完全、分子量大的特点，可采用湿法纺丝得到再生角蛋白纤维。本发明实现废弃资源再利用，具有广阔前景与应用价值,并符合当今绿色环保的研究理念与方向。

Description

再生角蛋白溶液的制备及湿法纺丝的方法
技术领域
本发明属于天然高分子材料应用领域，涉及一种动物毛发再生利用的技术，具体涉及一种利用动物毛发制备适合湿法纺丝的再生角蛋白溶液及其湿法纺丝的方法。 
背景技术
在环境问题日益严重的今天，废弃物的资源化再利用受到普遍的重视。我国每年都有大量的劣质毛、废旧毛、毛纺下脚料及其它许多动物毛发，均以废弃物的形式随意处理了，这不仅造成环境污染，更造成角蛋白资源的浪费。将废弃的动物毛发溶解制成角蛋白溶液，再通过凝固浴（凝固浴是一种使角蛋白溶液凝固成纤维的浴液）将角蛋白溶液制备成再生角蛋白纤维，实现废弃资源再利用，具有广阔前景与应用价值,并符合当今绿色环保的研究理念与方向。不过，由于动物毛发中，蛋白质分子通过大量的双硫键横向连接形成空间网状结构，使角蛋白的结构致密，导致天然动物毛发不能熔融，并很难溶于常规溶剂。为了溶解天然动物毛发，就必须采用不同功能的溶剂，以破坏蛋白质分子之间的双硫键、盐式键和氢键等，根据所采用溶剂的不同，其溶解的方法可以分为酸性法、碱性法、氧化法、还原法等，但用这些方法获取的角蛋白溶解物分子量普遍较低，不适合高蛋白含量的再生角蛋白纤维的制备，且对环境有较大污染，不符合绿色工业发展的要求。 
现在有一种用离子液体溶解天然动物毛发的方法，离子液体是指在室温或接近室温下呈现液态的、完全由阴阳离子所组成的盐，也称为低温熔融盐。离子液体是绿色溶剂，无毒、无味、热稳定性好、可循环使用，近年来已运用于包括丝素蛋白、角蛋白和纤维素等在内的天然高分子的溶解。申请号为200510077289.8、名称为“使用离子液体溶解动物毛制备再生蛋白纤维的方法”的中国专利，公开了一种利用离子液体直接溶解动物毛发的方法，该方法主要工艺流程为：原料-清洗-离子液体溶解-凝固浴凝固-再生蛋白纤维,该方法所获得角蛋白溶解物分子量仍然较低，只能得到片絮状的再生角蛋白纤维，角蛋白溶液不能满足湿法纺丝的实际要求。 
发明内容
本发明的目的是为了克服现有动物毛发溶解法导致角蛋白溶解物分子量偏低、角蛋白溶液不能满足湿法纺丝要求的缺陷，发明一种采用物理和化学相结合的方式来溶解动物毛发并纺丝的再生角蛋白溶液的制备及湿法纺丝的方法。 
本发明的目的是按如下的方式来实现的： 
所述再生角蛋白溶液，是以动物毛发为原料制成的，其制备包括洗涤、粉碎、溶胀、溶解四个步骤：
（1）洗涤
用非离子洗涤溶液对动物毛发进行洗涤，非离子洗涤溶液是非离子表
面活性剂和助剂的混合水溶液，其中非离子表面活性剂的质量占溶液总质量的0.3-2.5%，助剂的质量占溶液总质量的0.5-6.0%；按照动物毛发和非离子洗涤溶液的质量1：5-40的比例，将动物毛发放入非离子洗涤溶液中，非离子洗涤溶液的温度为30-70℃，pH值为7-8，利用洗烘联合洗毛机洗涤10-60 min，洗涤后烘干，烘干温度为40-90℃；
（2）粉碎
利用气流超微粉碎机将步骤（1）所得的动物毛发粉碎成直径100-1000纳米的微细粉；
（3）溶胀
将步骤（2）所得的微细粉浸泡在氯化锌（ZnCl2）和尿素（CO(NH2)2）的混合水溶液中进行溶胀处理，其中氯化锌（ZnCl2）的质量占全部混合溶液质量的百分比为10-40%，尿素（CO(NH2)2）的质量占全部混合溶液质量的百分比为5-25%，浸泡温度为30-65℃，浸泡时间为10-125min；过滤后，再用去离子水（去离子水是指除去了呈离子形式杂质后的纯水，去离子水的制备为现有技术）洗涤至中性，再过滤，然后在50-75℃温度下烘燥，得到平衡回潮率为10-20%的原料微粉；
（4）溶解
将步骤（3）所得的原料微粉加入到离子液体中，离子液体的质量为原料微粉质量的3-10倍，在80-120℃的温度下强烈搅拌10-200min，得到再生角蛋白溶液。
所述动物毛发为猪毛、山羊毛、绵羊毛、兔毛、骆驼毛、耗牛毛等动物粗毛，以及无纺织利用价值的羊毛和废弃毛纺织品。 
所述非离子表面活性剂为辛烷基酚聚氧乙烯醚、壬烷基酚聚氧乙烯醚、月桂醇聚氧乙烯醚或油醇聚氧乙烯醚。 
所述助剂为硫酸钠或硫酸铵。 
所述离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐或1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯。 
用所述再生角蛋白溶液进行湿法纺丝的方法，其工艺流程包括：凝固、牵伸、水洗、干燥、热定型，所述湿法纺丝的工艺条件如下： 
（1）凝固
凝固浴组成：水或浓度为5-40%的离子液体水溶液；
凝固浴温度：10-40℃；
纺丝速度：5-35米/分钟；
（2）牵伸
牵伸浴组成：水或浓度为5-45%离子液体水溶液；
牵伸浴温度：60-95℃；
牵伸倍数：2.5-9.5倍；
（3）水洗
水洗温度：40-65℃；
（4）干燥
干燥温度：50-80℃；
（5）热定型
热定型温度：110-135℃；
热定型时间：1-10min。
  
与现有技术相比，本发明的优点是：
（1）本发明以无纺织价值的动物毛发为原料，开发了再生角蛋白溶液，该溶液具有角蛋白浓度高、溶解完全、分子量大的特点；该溶液无须透析，具有良好的可纺性，可直接用于湿法纺丝。
（2）本发明所涉及的溶解工艺简单，溶解率100%，所用化学试剂均可回收，适合工业化生产； 
（3）本发明的再生角蛋白溶液可直接湿法纺丝，制备再生角蛋白纤维（长丝或短纤），也可与其它高分子材料如聚丙烯腈、聚乙烯醇、纤维素共混，或与无机功能性纳米粒子共混制备再生复合或功能蛋白纤维。
  
具体实施方式
实施案例1 
（1）用非离子洗涤溶液对动物毛发进行洗涤，非离子洗涤溶液中，非离子表面活性剂的质量占溶液总质量的1.2%，助剂的质量占溶液总质量的4.5%；按照动物毛发和非离子洗涤溶液的质量1：22的比例，将动物毛发放入非离子洗涤溶液中，非离子洗涤溶液的温度为50℃，pH值为7.0，利用洗烘联合洗毛机洗涤30min，洗涤后烘干，烘干温度为90℃；
（2）利用气流超微粉碎机将步骤（1）所得的动物毛发粉碎成直径800
纳米的微细粉；
（3）将步骤（2）所得的微细粉浸泡在氯化锌（ZnCl2）和尿素（CO(NH2)2）的混合水溶液中进行溶胀处理，其中氯化锌（ZnCl2）的质量占全部混合溶液质量的百分比为35%，尿素（CO(NH2)2）的质量占全部混合溶液质量的百分比为20%，浸泡温度为65℃，浸泡时间为100min，过滤后，再用去离子水洗涤至中性，再过滤，然后在75℃温度下烘燥，得到平衡回潮率为18%的原料微粉；
（4）将步骤（3）所得的原料微粉加入到离子液体1-丁基-3-甲基咪唑
氯盐中，离子液体的用量为原料微粉质量的8倍，在110℃的温度下搅拌35min，得到再生角蛋白溶液。
（5）将步骤（4）所得的再生角蛋白溶液，利用湿法纺丝得到再生角蛋白纤维，工艺流程包括凝固、牵伸、水洗、干燥、热定型，所述湿法纺丝的工艺条件如下： 
凝固浴组成：水
凝固浴温度：10℃
纺丝速度：5米/分钟
牵伸浴组成：水
牵伸浴温度：95℃
牵伸倍数：2.5倍
水洗温度：65℃
干燥温度：80℃
热定型温度：135℃
热定型时间：10min
实施案例2
（1）用非离子洗涤溶液对动物毛发进行洗涤，非离子洗涤溶液中，非离子表面活性剂的质量占溶液总质量的2.4%，助剂的质量占溶液总质量的0.8%；按照动物毛发和非离子洗涤溶液的质量1：30的比例，将动物毛发放入非离子洗涤溶液中，非离子洗涤溶液的温度为45℃，pH值为7.5，利用洗烘联合洗毛机洗涤50min，洗涤后烘干，烘干温度为70℃；
（2）利用气流超微粉碎机将步骤（1）所得的动物毛发粉碎成直径600纳米的微细粉；
（3）将步骤（2）所得的微细粉浸泡在氯化锌（ZnCl2）和尿素（CO(NH2)2）的混合水溶液中进行溶胀处理，其中氯化锌（ZnCl2）的质量占全部混合溶液质量的百分比为25%，尿素（CO(NH2)2）的质量占全部混合溶液质量的百分比为15%，浸泡温度为50℃，浸泡时间为60min，过滤后，再用去离子水洗涤至中性，再过滤，然后在65℃温度下烘燥，得到平衡回潮率为15%的原料微粉；
（4）将步骤（3）所得的原料微粉加入到离子液体1-乙基-3-甲基咪唑
磷酸二乙酯中，离子液体的用量为原料微粉质量的5倍，在100℃的温度下搅拌68min，得到再生角蛋白溶液。
（5）步骤（4）所得的再生角蛋白溶液，利用湿法纺丝得到再生角蛋白纤维，工艺流程包括凝固、牵伸、水洗、干燥、热定型。所述湿法纺丝的工艺条件如下： 
凝固浴组成：10%的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯水溶液
凝固浴温度：30℃
纺丝速度：25米/分钟
牵伸浴组成：10%离子液体水溶液
牵伸浴温度：65℃
牵伸倍数：7.5倍
水洗温度：55℃
干燥温度：50℃
热定型温度：130℃
热定型时间：8min
实施案例3
（1）用非离子洗涤溶液对动物毛发进行洗涤，非离子洗涤溶液中，非离子表面活性剂的质量占溶液总质量的0.8%，助剂的质量占溶液总质量的4.0%；按照动物毛发和非离子洗涤溶液的质量1：18的比例，将动物毛发放入非离子洗涤溶液中，非离子洗涤溶液的温度为60℃，pH值为8.0，利用洗烘联合洗毛机洗涤15min，洗涤后烘干，烘干温度为50℃；
（2）利用气流超微粉碎机将步骤（1）所得的动物毛发粉碎成直径500纳米的微细粉；
（3）将步骤（2）所得的微细粉浸泡在氯化锌（ZnCl2）和尿素（CO(NH2)2）的混合水溶液中进行溶胀处理，其中氯化锌（ZnCl2）的质量占全部混合溶液质量的百分比为18%，尿素（CO(NH2)2）的质量占全部混合溶液质量的百分比为15%，浸泡温度为40℃，浸泡时间为30min，过滤后，再用去离子水洗涤至中性，再过滤，然后在65℃温度下烘燥，得到平衡回潮率为10%的原料微粉；
（4）将步骤（3）所得的原料微粉加入到离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯中，离子液体的用量为原料微粉质量的4倍，在90℃温度下搅拌25min，得到再生角蛋白溶液。
（5）步骤（4）所得的再生角蛋白溶液利用湿法纺丝得到再生角蛋白纤维，工艺流程包括凝固、牵伸、水洗、干燥、热定型。所述湿法纺丝的工艺条件如下： 
凝固浴组成：浓度为15%的离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯水溶液
凝固浴温度：15℃
纺丝速度：25米/分钟
牵伸浴组成：水溶液
牵伸浴温度：95℃
牵伸倍数：5.5倍
水洗温度：55℃
干燥温度：60℃
热定型温度：130℃
热定型时间：5min
实施案例4
（1）用非离子洗涤溶液对动物毛发进行洗涤，非离子洗涤溶液中，非离子表面活性剂的质量占溶液总质量的1.0%，助剂的质量占溶液总质量的3.2%；按照动物毛发和非离子洗涤溶液的质量1：16的比例，将动物毛发放入非离子洗涤溶液中，非离子洗涤溶液的温度为50℃，pH值为7.8，利用洗烘联合洗毛机洗涤50min，洗涤后烘干，烘干温度为60℃；
（2）利用气流超微粉碎机将步骤（1）所得的动物毛发粉碎成直径300纳米的微细粉；
（3）将步骤（2）所得的微细粉浸泡在氯化锌（ZnCl2）和尿素（CO(NH2)2）的混合水溶液中进行溶胀处理，其中氯化锌（ZnCl2）的质量占全部混合溶液质量的百分比为10%，尿素（CO(NH2)2）的质量占全部混合溶液质量的百分比为6%，浸泡温度为30℃，浸泡时间为25min，过滤后，再用去离子水洗涤至中性，再过滤，然后在55℃温度下烘燥，得到平衡回潮率为15%的原料微粉；
（4）将步骤（3）所得的原料微粉加入到离子液体1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯中，离子液体的用量为原料微粉质量的7倍，在105℃温度下搅拌18min，得到再生角蛋白溶液。
（5）步骤（4）所得的再生角蛋白溶液利用湿法纺丝得到再生角蛋白纤维，工艺流程包括凝固、牵伸、水洗、干燥、热定型，所述湿法纺丝的工艺条件如下： 
凝固浴组成：浓度为20%的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯水溶液
凝固浴温度：35℃
纺丝速度：30米/分钟
牵伸浴组成：浓度为为8%的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯水溶液
牵伸浴温度：80℃
牵伸倍数：9倍
水洗温度：45℃
干燥温度：60℃
热定型温度：120℃
干燥定型时间：10min 。 

Claims (6)

1.一种再生角蛋白溶液的制备，其特征在于：所述再生角蛋白溶液，是以动物毛发为原料制成的，其制备包括洗涤、粉碎、溶胀、溶解四个步骤：
（1）洗涤
用非离子洗涤溶液对动物毛发进行洗涤，非离子洗涤溶液是非离
子表面活性剂和助剂的混合水溶液，其中非离子表面活性剂的质量占溶液总质量的0.3-2.5%，助剂的质量占溶液总质量的0.5-6.0%；按照动物毛发和非离子洗涤溶液的质量1：5-40的比例，将动物毛发放入非离子洗涤溶液中，非离子洗涤溶液的温度为30-70℃，pH值为7-8，利用洗烘联合洗毛机洗涤10-60 min，洗涤后烘干，烘干温度为40-90℃；
（2）粉碎
利用气流超微粉碎机将步骤（1）所得的动物毛发粉碎成直径100-1000纳米的微细粉；
（3）溶胀
将步骤（2）所得的微细粉浸泡在氯化锌和尿素的混合水溶液中进行溶胀处理，其中氯化锌的质量占全部混合溶液质量的百分比为10-40%，尿素的质量占全部混合溶液质量的百分比为5-25%，浸泡温度为30-65℃，浸泡时间为10-125min；过滤后，再用去离子水洗涤至中性，再过滤，然后在50-75℃温度下烘燥，得到平衡回潮率为10-20%的原料微粉；
（4）溶解
将步骤（3）所得的原料微粉加入到离子液体中，离子液体的质量为原料微粉质量的3-10倍，在80-120℃的温度下强烈搅拌10-200min，得到再生角蛋白溶液。
2.根据权利要求1所述的再生角蛋白溶液的制备，其特征在于：所述动物毛发包括猪毛、山羊毛、绵羊毛、兔毛、骆驼毛、耗牛毛等动物粗毛，以及无纺织利用价值的羊毛和废弃毛纺织品。
3.根据权利要求1所述的再生角蛋白溶液的制备，其特征在于：所述非离子表面活性剂为辛烷基酚聚氧乙烯醚、壬烷基酚聚氧乙烯醚、月桂醇聚氧乙烯醚或油醇聚氧乙烯醚。
4.根据权利要求1所述的再生角蛋白溶液的制备，其特征在于：所述助剂为硫酸钠或硫酸铵。
5.根据权利要求1所述的再生角蛋白溶液的制备，其特征在于：所述离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐或1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯。
6.一种用权利要求1所述的再生角蛋白溶液进行湿法纺丝的方法，其工艺流程包括：凝固、牵伸、水洗、干燥、热定型，其特征在于：所述湿法纺丝的工艺条件如下：
（1）凝固
凝固浴组成：水或浓度为5-40%的离子液体水溶液；
凝固浴温度：10-40℃；
纺丝速度：5-35米/分钟；
（2）牵伸
牵伸浴组成：水或浓度为5-45%离子液体水溶液；
牵伸浴温度：60-95℃；
牵伸倍数：2.5-9.5倍；
（3）水洗
水洗温度：40-65℃；
（4）干燥
干燥温度：50-80℃；
（5）热定型
热定型温度：110-135℃；
热定型时间：1-10min。
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