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羽毛绒轻盈、柔软,保暖性能优异,粗蛋白含量超过80%,是一种绿色天然角蛋白质材料。我国羽绒、羽毛资源非常丰富,但对羽毛、绒及其制品的研究利用还停留在原材料粗加工水平。羽绒作为保暖填充材料已经得到非常广泛的应用,而大量的羽毛其利用率却很低,80%以上被当作废弃物处理。这不仅浪费丰富的角蛋白资源,而且给环境保护带来很大压力。因此,开展对羽毛角蛋白纤维的结构性能及其资源利用的研究,对我国经济“可持续发展”和“绿色消费”具有重大意义。
本研究利用偏光显微镜(POM)和扫描电镜(SEM)对鹅和鸭的羽绒、羽毛进行观察,研究其形态特征及区别。结果发现:羽毛纤维具有完全不同于哺乳动物毛纤维的表面形态,没有明显的鳞片层,只有高低起伏的纵向排列纹理。鸭、鹅毛的羽枝截面呈皮芯结构,皮质层厚度很不均匀,芯层泡状髓质较发达。
利用近代测试技术研究了羽毛纤维的化学结构。傅立叶变换红外(FTIR)谱图中,500—1000 cm<'-1>区域的u(C—S)及u(S—S)吸收峰表明羽毛角蛋白中含胱氨酸;差示扫描量热(DSC)曲线上,温度为232℃,258℃,289℃,323℃处出现的4个吸热峰,分别对应羽毛角蛋白中结晶区熔融,氢键和盐式键的断裂,肽链降解和β--折叠结构熔融;X射线分析表明,在2 θ=8.9°,19.7°,25.7°出现的三个特征衍射峰反映羽毛纤维具有β--折叠为主的二级结构。采用重量损失率和断裂强度、断裂伸长率等指标,客观评定了常温下羽毛纤维的耐化学试剂性能。研究表明,羽毛纤维耐酸性较强,耐碱性差;其对氧化剂非常敏感,而还原剂则不会对其造成明显损伤。
参照羊毛、兔毛物性测试的国家标准,结合羽毛纤维的结构特点改进部分测试方法,较系统地研究了羽毛纤维常规的物理机械性能。结果表明,羽毛纤维吸湿性强,密度小,导热系数低,是性能优异的保暖材料;但其抱合力差,不易卷曲,比电阻较高,不利于纺织加工。为此,对羽毛纤维采取助剂处理、卷曲加工,并共混适量其它纺织纤维等方法以提高其可纺性,成功制备了羽毛保暖絮片、羽毛纱线及羽毛复合布。
使用单宁酸(TA)对羽毛纤维进行化学改性,研究了改性前后羽毛对溶液中Cu<'2+>,Zn<'2+>的吸附及解吸性能,探讨了羽毛上TA负载量、浸泡时间、温度及pH值等因素对羽毛吸附性能的影响。研究发现,羽毛对金属离子的吸附量随羽毛上TA负载量的增加而增大,当TA负载量为8.3%,pH=11时,得到改性羽毛对金属离子的最大吸附量为:Cu<'2+>,0.77 mmol/g;Zn<'2+>,0.95 mmol/g。盐酸盐中羽毛对Cu<'2+>的吸附量和吸附速率均高于相应的硝酸盐溶液。TA改性羽毛的金属复合物在解吸附考察中表现出较高的稳定性。利用废弃羽毛资源,分别采用金属盐法和还原法制备羽毛角蛋白溶液。经正交实验及优化确定金属盐法的最佳工艺条件为:羽毛与巯基乙酸的质量比为1:1,温度100℃,ZnCl<,2>浓度500g/l,时间90 min,浴比1:1;在此条件下羽毛角蛋白溶液的产率为96.3%。还原法的最佳工艺条件是:NaHSO<,3>浓度50 g/l,尿素浓度480g/l,SDS(十二烷基硫酸钠)浓度30 g/l,温度80℃,反应时间5小时;此条件下羽毛角蛋白溶液的产率为82.2%。
对还原法制得的羽毛角蛋白溶液及其冻干粉进行表征:由凯式定氮法测得溶液中的蛋白质含量为60.7%;由SDS--聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)测得羽毛角蛋白溶液的分子量为66 KD。FTIR和X射线衍射测试表明,还原法制备工艺有效保留了羽毛角蛋白的化学营养成分。
本研究为羽毛纤维的鉴别,羽毛纺织新材料的加工,羽毛纱线及其纺织品的制备和标准化提供基础数据;为羽毛资源的深加工及综合利用提供了理论依据和技术支持。