纤维化学与物理-第三章蛋白质纤维-羊毛

第三章蛋白质纤维3.2 羊毛纤维P206-223一、羊毛的形态结构特征二、羊毛的表观性状三、羊毛的近程结构（化学组成、分子结构）四、羊毛的远程结构（构象）五、羊毛的聚集态结构六、羊毛纤维的性能1�使用羊毛的历史：公元前3000～4000年的新石器时代�羊毛的特性：光泽柔和，手感丰满而富有弹性，悬垂性良好，吸湿透气，穿着舒适保暖，不易沾污，抗皱性较好，耐磨性优良�羊毛的用途：精纺或粗纺的高级面料；家纺及装饰用品；工业用呢等�最高档的纺织纤维之一2天然动物毛包括：�羊毛（绵羊毛：主产地澳大利亚、俄罗斯、新西兰、中国、阿根廷）�山羊绒（开司米 Cashmere）�马海毛（安哥拉山羊毛，原产于土耳其的安哥所拉省，现有南非、土耳其、美国三大产地，是长羊毛）�兔毛�骆驼毛（绒）�牦牛毛（绒）等3羊毛通常是指绵羊毛，产量占纺织纤维的5%左右。

�原毛：从羊身上剪下的毛�原毛组成：�羊毛纤维占40％～70％�杂质：羊脂、羊汗、泥沙、污物及草籽、草屑等。

�净毛率：羊毛纤维在原毛中的含量百分率，随羊毛品种和羊的生长环境等不同有很大变化。

�原毛不能直接用来纺织，必须经过初步加工（选毛、开毛、洗毛、炭化等），才能获得较为纯净的羊毛纤维。

4羊毛的初加工：�选毛：按原毛品质分类，如把羊肩、背、腿、尾、头等处毛分开�开毛：利用开毛机使其松散，并除去部分泥沙、尘土�洗毛：除去羊毛脂和羊毛汗为主，同时也去除泥沙、粘土等�炭化：用H2SO4除去植物性杂质�稀H2SO4浸渍→低温烘干→高温焙烘（酸液浓缩，使纤维素脱水甚至炭化变焦脆）→通过机械作用粉碎除去56Sheep ：——Merino——LeicesterGoat ：——Chinese cashmere一、羊毛的形态结构特征�横截面：椭圆形（长短轴之比为1.1～1.3），越细越接近圆形；�纵向：鳞片，卷曲�近似于椭圆柱状的形状，不同品种的羊毛直径、长度、卷曲以及起鳞程度等差异很大。

形态结构模型如P206图5－8所示78横截面纵向三部分：�包覆在纤维外部的鳞片层�组成羊毛实体的皮质层�处于纤维中心的髓质层�细羊毛无髓质层各部分成分见P207表5－391. 鳞片层（cuticle）�由角质化的扁平状细胞通过细胞间质粘连而成，是羊毛纤维的外壳。

�鳞片形状：如鱼鳞或瓦片一样，重叠覆盖。

覆盖形式：环状、瓦状、龟裂状。

�排列方式：定向，自由端均指向毛尖方向。

�鳞片大小：各种羊毛的鳞片基本相近，平均宽度约28微米、长度约36微米、厚度约0.5～1微米。

�鳞片覆盖密度：差异较大。

细羊毛鳞片密度高（单位面积上的鳞片数多），鳞片张角大，多呈环状。

1011�鳞片排列的密度和鳞片伸出羊毛表面的程度，对羊毛光泽和表面性质影响较大。

�细羊毛：鳞片排列紧密，呈环状覆盖，伸出端较突出，呈漫反射，光泽柔和；�粗羊毛：鳞片排列较疏，呈瓦片状或龟裂状覆盖，鳞片面积较大而且光滑，光泽比细羊毛明亮。

�鳞片层约占羊毛总量的10％，结构复杂（如P208图5－10所示），分为：�鳞片表层（表角质）�鳞片外层（外角质之A、B层）�鳞片内层（内角质）1213（1）鳞片表层 又称表皮细胞薄膜层�含量少，约占羊毛的0.1％，厚度约3nm ，是羊毛结构研究的重点之一。

�由动物细胞表面的原生质细胞膜转化而成，具有良好的化学惰性，耐碱、氧化剂、还原剂和蛋白酶等。

根本原因在于其独特的化学结构：�表面呈整齐的单层类脂结构，且非极性基团外露，厚度约为0.9nm 。

主要成分为18－甲基二十酸和二十酸，与羊毛鳞片表层的蛋白之间以酯键和硫酯键结合。

�类脂层之下为蛋白层，该蛋白层在肽链间除有二硫键交联外，还存在酰胺键交联（鳞片表层中50％的赖氨酸和谷氨酸残基形成了酰胺键交联，键长约为二硫交联的2倍），耐化学性能较强，而且使肽链之间具有较大的伸缩空间和韧性，鳞片表层不易破裂。

�A层位于羊毛的外侧，具有很高的含硫量，胱氨酸残基的含量约占35％（摩尔分数），即每三个氨基酸残基中就有一个胱氨酸残基，因此难以膨化，是羊毛结构中含硫量最高的部位。

�B层位于内侧，含硫量稍低，但仍比其他部位的高。

�鳞片外层内的蛋白质分子肽链主要是以无定形形式存在，因为胱氨酸含量过多，难以有效形成有序排列。

14（3）鳞片内层�位于鳞片层的最内层，由含硫量很低的非角质化蛋白质构成，其厚度在整个鳞片中的分布也不均匀，细羊毛中其重量约占3.6％。

�鳞片内层中只含约3％（摩尔分数）的胱氨酸残基，且极性氨基酸的含量相当丰富，所以其化学性质活泼，易于被化学试剂、水等膨润，可被蛋白酶消化。

15致羊毛毡化。

③影响纤维的光泽：细羊毛鳞片多属环状，呈漫反射，光泽柔和暗淡；粗羊毛鳞片面积较大且光滑，光泽明亮。

162. 皮质层（cortex）�由皮质细胞通过细胞间质粘连而成，是羊毛纤维的重要组成部分，占羊毛总体积的75％～90％。

�皮质细胞——纺锤形，其主要成分是由各种氨基酸组成的角质蛋白（角朊），决定着羊毛的主要物理、机械和化学性能。

�皮质细胞长约80～130微米，粗约2～5微米。

1718Leicester wool c ortical cells19Cashmere down c ortical cellsGoat guard hair c ortical cellsshort and fat.Some cellscarry a ridgedcarry apattern20�角朊——α-氨基酸缩合而成的链状大分子，大分子链间形成各种副键（包括肽键），使角朊大分子形成网状结构。

这些副键的键能不一样，易被拆散和重建，所以羊毛的角朊分子是一种动态平衡的网状结构大分子。

�羊毛的多缩氨基酸以螺旋形式存在，属α－螺旋构象，称为α－型角朊。

平均每两个螺旋圈中含7个α－氨基酸单元，螺旋周期约为0.51nm。

�在张力和湿热的条件下，纤维伸长，大分子链伸直，可变成曲折的β－型角朊，如果去掉张力，又可以回复到α－型。

21α－型β－型22皮质细胞分为两种：�O皮质细胞（正皮质细胞，ortho-cortical cell）：结构相对疏松�P皮质细胞（副皮质细胞，para- cortical cell）：结构相对紧密�个别纤维中有时还含有介于两者之间的皮质细胞。

�不同种类的羊毛纤维，其O、P皮质细胞所占的比例以及分布差异极大：美利奴羊毛具有双侧（边）结构（double side structure）；马海毛的O、P皮质细胞呈轴向分布，O皮质细胞处于中心。

23�O皮质细胞:由直径为100-300nm 甚至2µm左右的大原纤组成，结构较疏松；含硫量较P皮质细胞的低，吸湿性较强，对碱性染料的亲和力较强，易于染色，对酶和一些化学试剂的反应活泼性也较高。

�P皮质细胞：由直径为20～50nm的微原纤直接组成，结构较紧密；含硫量较高，对化学试剂的反应性稍差，对酸性染料的亲和力相对较强。

�皮质细胞中的多肽分子呈特殊规整排列，赋予了羊毛纤维优良的机械力学性能，而原纤之间的空隙则有利于染料溶液等进入细胞之间。

24�在羊毛的同一横截面上，O皮质细胞的含量高于P皮质细胞。

�细羊毛：两种皮质细胞分别聚集在毛干的两半边，并且沿纤维轴向互相缠绕，O皮质细胞始终位于羊毛卷曲波形的外侧，而P皮质细胞则位于卷曲波形的内侧。

O、P皮质细胞的双侧异构分布结构（双侧结构）导致了羊毛纤维的天然卷曲。

（P210图5－11）�粗长的羊毛：O皮质细胞较集中于毛干的中央，P 皮质细胞呈环形分布于周围，因此很少卷曲甚至没有卷曲。

25263.髓质层（medulla ）�由结构疏松、内部充有空气的薄膜细胞所组成，彼此联系成网状。

�髓质层可以贯通整根羊毛纤维；有的具有不连续的髓质层；细羊毛（如美利奴羊毛）中则几乎没有髓质层。

�髓质层愈多，愈硬，强度愈低，卷曲愈少，弹性愈低；�髓质层愈少，愈软，强度愈高，卷曲愈多，弹性愈高； 不同类型羊毛的髓质层形状如P211图5－12所示。

Very large medulla Thin wall4.细胞膜复合体（CMC -cell membrane complex）�指两相邻细胞的细胞膜原生质和细胞间质所组成的整体，在羊毛的毛囊中形成，由活性细胞的细胞膜和细胞间质演化而来。

�含量很少（占羊毛重量的3％～5％）。

CMC脂质与蛋白质结合形成脂蛋白，围绕羊毛纤维形成一个连续的网状结构，对鳞片细胞之间、鳞片与皮质细胞之间产生粘合作用，是鳞片和皮质细胞的重要粘合剂。

�CMC以网状结构存在于整个羊毛结构中，是羊毛内部唯一连续的组织，对羊毛的机械性能起着至关重要的作用。

28CMC主要由三部分组成：�一是柔软的、易溶胀的细胞胶粘剂即细胞间充填物（δ层），该部分有轻微交联的球状蛋白；�二是类脂双分子结构（β层）；�三是处于球状蛋白和类脂结构之间的耐化学蛋白层，即惰性膜层。

29（1）δ层：主要由非角质化蛋白质构成。

δ层的性质柔软，易于膨化，是CMC中较为薄弱的部分，其厚度约15nm，但各处不一，细胞间的空隙均被其充填。

（2）β层：具有双分子层脂膜的结构特征，约占羊毛重量的1.5％，可以部分溶解于甲酸和有机溶剂中。

（3）惰性膜层：角质化蛋白质，具有较好的化学稳定性。

�当羊毛受到各种物理化学因素影响时，也会导致CMC含量的减少，结果导致鳞片细胞脱落，鳞片翘起。

30二、羊毛的表观性状1、密度�羊毛的密度（1.32g/cm3）低于棉纤维（1.54g/cm3）、麻纤维、粘胶纤维和涤纶（1.38 g/cm3），又具有一定的卷曲度，所以羊毛比棉和涤纶等更为蓬松、保暖。

�各种纤维的密度如P112图3－1所示。

312、细度�羊毛的细度差异很大，最细羊毛的直径为7～8微米，粗羊毛直径可达200微米。

�同一根羊毛，不同位置的细度差异也可达5～6微米。

�羊毛纤维的截面一般为椭圆形，其长短轴之比，细羊毛为1～1.2，半细羊毛为1.05～1.5，粗羊毛大于1.5。

�羊毛愈细，纺成纱后截面不匀率愈小，条干愈均匀，当然，过细的羊毛纺纱难度大，容易产生疵点。

羊毛纤维的细度与手感、光泽、织物风格以及起球、耐磨性、强度等力学性能都有密切的关系。

323．长度�羊毛存在自然卷曲，长度可分为自然卷曲长度（又称为毛丛长度）和伸直后长度。

�自然卷曲长度是毛丛两端间的直线距离，不特别注明的羊毛纤维长度就是指自然卷曲长度。

�中国细羊毛的长度为55～90mm，半细羊毛长度为70～150mm，粗羊毛长度为60～400mm。

334．卷曲度�沿羊毛纤维长度方向，存在周期性的自然弯曲，一般以每厘米长羊毛的卷曲个数来表征羊毛卷曲的程度，称为卷曲度。

�羊毛纤维的各种卷曲形态如P212图5－13所示，可以分为7种类型。

�羊毛的卷曲形态对毛纺织加工和成品的品质有较大影响。

例如：卷曲度和卷曲的形状与毛纱的柔软及弹性等有关；某些具有三维空间卷曲形态的羊毛，如螺旋形弯曲的羊毛，缩绒性不好，成品手感松散，质量较差。