牛奶纤维
牛奶纤维(Milk Fibre/Milk Fiber)
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什么是牛奶纤维[1]
牛奶纤维是指由纯牛奶经提纯后进行化学纺丝或牛奶蛋白与聚丙烯腈混合后纺丝得到的纤维。
牛奶纤维的研究与发展[2]
最早源自于1935年意大利SNIA公司和英国Coutaulds公司从牛奶乳酪中提炼的纯蛋白纤维，但因成本高而没有得到实际应用。1956年，日本东洋公司发明了用牛乳蛋白溶液与聚丙烯腈共混、共聚、接枝的方法，开发了类似于真丝结构的新型长丝，并于1969年实现工业化生产，商品名为“Chinon”。它具有蚕丝般的光泽和柔软的手感，具有较好的吸湿、导湿性和极好的保湿性，穿着舒适，但纤维本身呈淡黄色，耐热性差，制造成本高。
我国从20世纪60年代时开始研究牛奶蛋白纤维，上海正家牛奶丝科技有限公司是最早实现牛奶蛋白纤维工业化的企业。蚕蛹蛋白纤维是利用化学和生物技术先制得蚕蛹酪素(PC)，再制成蛹蛋白纺丝液，与黏胶纺丝原液共混，湿法纺丝制得纤维，具有良好的吸湿性、透气性以及可降解性。胶原蛋白纤维几乎与人的皮肤组成相同，其干强、湿强和弹性均超过羊毛，具有良好的亲和性和穿着舒适性。此外，利用不可纺蛋白质纤维(如猪发、鸡毛、人发等)和废弃蛋白质纤维制成再生动物蛋白质纤维，其原料来源广泛，纤维可降解性好，有利于环保。
牛奶纤维的性能特点[3]
牛奶纤维是再生蛋白复合纤维，是由牛奶中分离出来的酪蛋白与高分子化合物丙烯腈，经接枝共聚反应生成高聚物，再经湿法纺丝工艺而成的新型纺织纤维。牛奶纤维外形纵向有隐条纹，边缘光滑，横截面呈圆形，与合成纤维相似。
蛋白质纤维主要由碳、氧、氮、氢、硫和磷等元素组成。天然蛋白质纤维中，羊毛的角朊、蚕丝的丝朊和丝胶中均含有碳、氧、氮、氢和硫元素，而酪蛋白的酪素朊中还含有磷元素。蛋白质也可视为由多种不同的d一氨基酸，通过氨基和羧基间的脱水缩合而成。羊毛角朊和蚕丝丝朊中含有19种氨基酸。牛奶蛋白复合纤维经检测，含有17种氨基酸。牛奶蛋白复合纤维是含有动物蛋白质氨基酸的合成纤维，它兼有天然纤维与合成纤维的特性，既有柔软亲肤的穿着舒适性，又有抗菌防蛀的穿着服用性。
牛奶纤维具有良好的物理化学机械性能，基本接近天然纤维蚕丝，较羊毛、蚕丝密度小，手感柔软、轻盈；标准回潮率优于腈纶；初始模量与蚕丝接近，比羊毛、腈纶高；断裂伸长率与羊毛、蚕丝、腈纶基本接近；断裂强度与腈纶基本接近；卷曲弹性回复率逊于羊毛、腈纶纤维；耐酸不耐碱；干热稳定性较好，湿热稳定性差。
牛奶纤维的结构和性能[4]
(一)形态结构
牛奶纤维外观呈乳白色，有着真丝般柔和的光泽和滑爽手感。通过切片发现牛奶再生蛋白质纤维的横截面呈腰圆形或哑铃形，纵向有凹槽。
(二)物理机械性能
牛奶纤维相对体积质量小，初始模量大，强度高，钩接和结节强度好，抵抗变形能力较强。牛奶纤维具有较高的干态断裂强度、一定的卷曲数、一定的摩擦力和抱合力。牛奶纤维的质量比电阻高于羊毛，低于蚕丝。
(三)化学性能
牛奶蛋白纤维属于蛋白质纤维，它与大分子高聚合后，蛋白质失去原有的可溶性，在高湿环境中，因为固化后的蛋白质分子结构紧密，水中软化点高而不溶于水。同时，由于蛋白质分子中多肽链之间以氢键相结合呈空间结构，大量的氨基、羟基与羧基等基团易与水相结合，使纤维具有良好的吸湿性及透气性。另外，牛奶纤维腰圆型或哑铃型的横截面和纵向的凹槽也有利于吸湿导湿性和透气性的增加。
牛奶蛋白纤维具有较低的耐碱性，耐酸性稍好。牛奶纤维经紫外线照射后，强力下降很少，说明纤维具有较好的耐光性。
牛奶再生蛋白纤维的化学和物理结构不同于羊毛、蚕丝等蛋白质纤维，适用的染色剂种类较多，上染率高，且上染速度快，染色均匀透彻，不易褪色。
(四)生物性能
牛奶纤维具有天然抗菌功效，不会对皮肤造成任何过敏反应。牛奶纤维中所含的蛋白质等成分为人体所必需，对人体皮肤有较好的营养和保护作用。
牛奶纤维的制备[4]
牛奶的主要成分有蛋白质、水、脂肪、乳糖、维生素及灰分等。其中蛋白质是制造牛奶纤维的基本原料。牛奶中蛋白质之所以能制成纤维，是因为它具备成纤高聚物的基本条件：
(1)大分子是线型的。蛋白质大分子的形状有两种：一种是链状的，即线型的，称之为纤维蛋白；另一种是球状的，称之为球蛋白。奶中蛋白即酪蛋白是线状的，可以制成纤维；而血红蛋白是球蛋白，则不能成纤。
(2)具有一定的柔性和分子间力。蛋白质主要由碳、氧、氢、氮、硫5种元素组成，某些蛋白质中还含磷、铁等元素，酪蛋白中含有磷元素。经元素分析，干燥蛋白质中元素含量为(％)：H 6.0～7.0、C 50～55、O 20～30、N 15～17、S 0.3～2.5。蛋白质可视为许多不同的α-氨基酸，通过氨基和羧基间的脱水缩合而成的，这种反应连续缩合多次形成多肽，蛋白质比多肽分子量更高，结构更复杂。蛋白质中含有无数个肽键。肽键使大分子具有很好的柔性，且使大分子之间能形成氢键，从而使其具有较高的分子间力。蛋白质的分子间力除主要来源于氢键力外，还有其他极性基团如一SH、一NH2等的贡献。
(3)具有较好的可纺性。蛋白质与水形成胶体溶液，经纺丝后，随着水分的去除，大分子互相靠拢，分子间形成氢键，多肽链平行排列，甚至扭在一起，转化为不溶于水的固化丝条。丝条的抗张强度可达2.5eN/dtex以上，能满足纺织纤维的基本要求。
目前，牛奶纤维的制造方法有两大类，即纯牛奶纤维和混合纤维。严格地说只有纯牛奶纤维才可以称为牛奶纤维，但目前用牛奶纤维和聚丙烯腈混合制成的纤维也被称为牛奶纤维。
1．纯牛奶纤维
牛奶中水分占85％以上，所以成纤的第一步是要去除多余的水分，使牛奶浓缩到含水60％以下后，加碱(NaOH)使脂肪分解。反应后的乳浊液中除蛋白质外都成为可溶于水的低分子物。蛋白质分子量大，不能穿过半透膜，利用这一性质，将蛋白质和低分子物通过透析法分离开来，达到蛋白质的纯化目的。此外，也可用盐析法，即在乳液中加无机盐(如：MgSO。等)，使蛋白质从中析出，达到纯化。
纯牛奶纤维的生产工艺流程是：
蒸发—脱脂—碱化—分离—揉合—过滤—脱泡—纺丝—拉伸—干燥—定形—分级—包装。
(1)减压蒸发：温度最好低于70℃，70℃以上会使蛋白质变性。蒸发器内压力要求低于80kPa。浓缩到含水60％。
(2)脱脂：去除奶中脂肪是纺前处理的一个重要过程。为减少碱化负担，降低碱耗量，降低成本，在碱化前先进行离心脱脂，即根据脂肪的密度小于奶中其他成分的密度，利用离心机将大部分脂肪去除。离心机转速应高于1000r/rain。
(3)碱化：为进一步去除脂肪，在离心脱脂后的乳液中加人NaOH水溶液，使脂肪分解。碱液中碱水摩尔比为1：20。碱量太少，脂肪不能完全分解；太多，除使脂肪分解外，还会促使蛋白质分解。
(4)分离：用半透膜将碱化反应后的乳浊液中的蛋白质分离出来，或者加入NaCI使蛋白质沉淀析出。
(5)揉合：将析出的蛋白质收集，加无离子水、蛋白质粘合剂，送入揉合机并加热至60℃，经充分混匀成特别揉合流体后即可作为纺织液。
(6)过滤、脱泡：这是纺前准备工序，经过滤去除杂质和减压脱除纺丝液中的气泡，可大大减少纺丝中的毛丝、断头，提高可纺性。
(7)纺丝：采用干法纺丝。纺丝过程是牛奶纤维制备的关键过程。其加工工艺流程：
将脱泡后的纺丝液预热至60℃，加入干法纺丝罐内，经齿轮计量泵输入纺丝机的喷丝头(喷丝孔径为0.15ram)。从喷丝孔挤出后，细流进入湿球温度约为55℃的空调环境中初步固化为连续长丝，接着经过100℃的烘干区，使水分含量降低至20％以下，并卷绕在丝筒上。
(8)拉伸：为提高纤维的断裂强度及其他物理机械性能，成形后的丝条还需要进行1.5-2.0倍的热拉伸。拉伸后，大分子沿纤维轴取向排列，分子间力增强，纤维性能得到改善。
(9)干燥和定形：在定形锅内于90℃下进一步烘干，同时也起到定形作用。锅内要抽真空，使水分不断汽化排出，纤维含湿量低于10％。经热处理后，蛋白质转化为变性蛋白质，成为永久的不溶性固化纤维。
2．含牛奶蛋白的纤维
除了纯牛奶纤维外，还有一类与牛奶纤维有关的纤维是含牛奶蛋白的纤维。这类纤维的纺丝基本上均为溶液纺丝，其原液的制备一般有三种方法，即共混法、交联法、接枝共聚法。共混法，即以牛奶蛋白和聚丙烯腈共混纺丝，通过聚丙烯腈通常的纺丝方法制成纤维；交联法，即以牛奶蛋白和丙烯腈加入交链剂进行高聚物交联化学反应，制成纤维；接枝共聚法，即以牛奶蛋白和丙烯腈在体系中催化发生高聚物接枝共聚物，制成溶液，纺丝再制成纤维。
这三种方法的特点是：共混法制备方法简单，没有任何化学反应，牛奶蛋白的分散较差，以直径30—50nm，长度lOOnm的圆柱状凝聚体分散，分散不均匀，影响了纤维的质量，失去了牛奶赋予的优良性能。交联法中牛奶蛋白的分散均匀，分散颗粒小于20nm；接枝共聚法中牛奶蛋白的分散是以分子状均匀地分散在丙烯腈中形成高聚物，其结合最佳，纤维的质量最好，但是原液的制备工艺比较复杂。
牛奶纤维的纺织工艺[4]
(一)纺纱
牛奶蛋白纤维的纺纱工艺流程：
原料预处理—清花—梳棉—并条—粗纱—细纱—络筒。
1．预处理
牛奶蛋白纤维表面光滑柔软，在纺纱过程中抱合力差，容易粘附机件，表现为清花成卷困难、棉网易断裂、各工序纤维断裂严重和粗纱断头高。牛奶蛋白纤维的质量比电阻虽不大，但在纺纱中静电仍较突出，表现为纤维之间相互排斥、生产环境飞花严重，因此在纺纱过程中为满足成纱需要，必须采用增加含油、添加抗静电剂等措施进行预处理，以提高牛奶蛋白纤维的抗静电能力。
在预处理时，对原料喷入浓度为30％的静电剂，闷包32h。这可以使纤维静电缩小，并具有一定的湿度，给后面工序带来有利条件。
2．开清棉
根据牛奶蛋白纤维细度细，长度长，含异状纤维较多，类似粘胶纤维，表面光滑，抱合力差，静电严重，易缠罗拉胶辊等特性，在开清棉工序中注意控制湿度，车问相对湿度控制在67％左右，以减少静电对生产的不良影响。降低打手速度，减少尘棒隔距，减少打击力度和次数，减少纤维损伤。调整棉卷重量，采用防粘凸凹罗拉、紧压罗拉，分气缸压力为6.5MPa，可以改善严重的成卷粘连现象。棉卷成卷后应用塑料薄膜包覆，严防油剂和水分挥发。
3．梳棉
牛奶蛋白纤维卷曲少，易出现棉网飘头、破网、断边等问题，在生产中，棉条定量适当偏轻控制。牛奶蛋白纤维比重大，为了防止棉网下垂。可适当提高前区机械牵伸。牛奶蛋白纤维单强较低，可减慢梳棉机刺辊转速，使分梳得到缓和。由于牛奶蛋白纤维蓬松，可增加弹性压辊压力，保持一定的握持力。采用适合中长纤维的针布，以增强纤维转移，防止纤维缠绕。适当加大锡林与刺辊速比，减少锡林与道夫隔距，有利于减少纤维损伤及摩擦，提高条干水平。车间相对湿度要控制在70％左右，可减少静电吸附纤维和缠绕压辊现象。
4．并条
为了获得好的棉条质量，应控制好棉条重量不匀率和条干不匀率，可采取多并工艺；在并条工序放大罗拉隔距，中心距为47ram×53mm；合理分配主、后区牵伸倍数，头并后区控制在1.72～2.0倍，末并后区控制在1.15～1.25倍；因纤维抱合力差，经并合的棉条易脱落、断条，因此采用小卷装容量，喇叭口尺寸为3.Omm，增强纤维间的抱合力。
5．粗纱
由于牛奶蛋白纤维表面光滑，在A454型粗纱机上纺纱应采取小卷装，避免冒头纱、脱圈。因纤维细长，粗纱捻系数要选择适中，避免过大或过小给细纱工序造成硬头或毛羽过多。要适当提高粗纱回潮率，以减少静电现象带来的不良影响。生产中应采用“重加压，低车速”的工艺原则。
6．细纱
在FA506型细纱机上纺纯牛奶蛋白纤维，采用与钢领配套的钢丝圈，捻系数应适当选择为335，可减少毛羽数量、降低细纱断头。配置硬度适中的高弹性胶辊WRC965，可减轻缠绕罗拉和胶辊，加压适当加重，以提高成纱条千质量。适当降低车速和锭速，从而降低离心力作用和静电积聚现象对成纱质量造成的影响。
7．络筒
在1332M型络筒机上设计合理的电子清纱工艺，配置较低的卷绕线速度，减小络纱张力，保持络纱通道光滑和良好的机械状态。减少断头，并采用小卷装，保证成形良好。车间相对湿度是稳定牛奶蛋白纤维顺利纺纱的重要因素，根据牛奶蛋白纤维吸湿较快，相对湿度小易产生静电、飞花严重，相对湿度大易缠胶辊、罗拉、针布的特点，各工序相对湿度控制在67％～75％之问。
(二)织造
1．浆纱
浆纱是织部生产的重要环节。由于牛奶蛋白纤维表面光滑，纱线中的毛羽容易滑移，如果不充分将其毛羽伏贴，极易在钢筘及综片处纠缠，造成纬向阻断，经纱断头也将相应增加。浆纱过于硬挺，织造时易造成脆断头，增加断经疵点。所以牛奶蛋白纤维浆纱的目的，关键在于伏贴毛羽，提高柔韧耐磨性。针对牛奶蛋白纤维的特性，浆纱宜采用“高浓度、中粘度、重加压、偏高上浆”的工艺原则。
(1)高浓度、中粘度：要达到较高的上浆率，必须采用较高浓度的浆液。而在浓度较高的情况下。要提高浆液的浸透性。除了采用重加压的工艺外，浆液的粘度必须适中。为了达到这一目的，可使用具有较高粘附性的改性酶化淀粉，并相应地降低PVA的含量，以增加浆液的流动性和渗透性。
(2)重加压、贴毛羽：贴伏毛羽必须具备三个条件：一是浆液对纱本身的纤维及伸出纱身的纤维要有适当的粘附力；二是要有外力克服毛羽的刚性，而使其贴向纱身；三是纱身上的浆液有足够大的粘附性，粘附已贴在纱身上的毛羽。因此，浆纱时必须通过重加压工艺配置，使其毛羽贴向纱身。同时，重压后，能挤去纱中更多的水分，这样，出了挤压区的经纱上浆液的浓度就更高，其粘度值就更大，浆液的粘附力越大，越有利于吸牢贴在纱身上的毛羽。因此，浆纱贴伏毛羽必须要采用较大的压浆。
(3)偏离的上浆率并上油：要达到较好的贴服毛羽的效果，浆纱必须要有很好的被覆，这就要求有较高的上浆率。同时，为了减少织造中经向断头，也需要掌握偏高的上浆率来提高纱线的强力。实验表明，上浆率以12％为宜。
另外，为防止高上浆率带来的脆断头，上浆后应再上油，从而提高浆纱的耐磨性，进一步可提高织造开口清晰度，减少经纱断头，提高织造效率。
2．织造
织机上机工艺不仅决定织造效率，而且对织物质量与产品风格都有着很大的影响。针对牛奶纤维纱线的特性及产品风格，织造工艺应注意以下几个方面：
(1)综框高度和开口量：牛奶纤维的毛羽多而长，在织造过程中，相互纠缠、粘连的机会多，造成开口不清。为了减少开口过程中经纱毛羽的接触机会，减少纬向阻断，可采用不等开口。
(2)后梁高度和停经架高度：后梁和经停架高度决定开口过程中上下层经纱张力差异的大小，也是关系织物组织结构、外观质量的主要工艺参数。在牛奶纤维的织造过程中，适当放低后梁和经停架的高度，减小了上下层经纱的张力差异。
(3)入纬时间：以喷气织机为例，喷气织机的车速很高，在引纬时主喷、副喷压力较大，储纬器与主喷嘴之间的纬纱容易断头，造成断纬停台多。可将入纬时间适当提前，从900改为850，同时将主喷压力控制在71.4N，副喷压力控制在36．3N。喷气织机为柔性引纬，在纬纱末端不易将纬纱引直，在出口侧易造成纬缩疵点，因此必须增加一只辅助喷嘴。
(三)染整
牛奶再生蛋白质纤维的化学和物理结构不同于羊毛、蚕丝等蛋白质纤维，其染色所用染料、助剂也须作相应改变。牛奶再生蛋白质纤维适用的染色剂种类较多，上染率高，且上染速度快，酸性、活性、直接和弱酸性染料均能对牛奶再生蛋白质纤维上染。在生产中要根据实际需要和染色效果，选择合理的染料，染色时要严格控制温度，采用低温染色工艺。牛奶再生蛋白纤维吸色均匀、透彻，容易着色，所以在使用过程中不易褪色。
牛奶纤维的产品开发[4]
(一)产品的特点
牛奶再生蛋白质纤维制成的面料，光泽柔和，质地轻盈，给人以高雅华贵，潇洒飘逸的感觉，加之柔软丰满的手感，良好的悬垂性能，更是显得卓尔不凡。所以牛奶纤维面料是制作高档春夏时装的理想材料。
(二)产品种类
1．时装
柔和的光泽，轻盈的质地，柔软的手感，使得牛奶纤维成为制作高档时装的理想材料，可以制作针织套衫、T恤衫、女式衬衫、日本和服等。用牛奶纤维制成的时装雍容华贵，轻盈飘逸。
2．内衣
牛奶纤维一般用来制作内衣，因为牛奶纤维具有很好的吸湿、导湿及保湿功能。另外，牛奶纤维制成的衣物柔软、轻便、滑爽、不激皮肤，故牛奶纤维内衣比通常的纯棉内衣穿着更舒服。
3．床上用品
牛奶纤维柔软、滑爽，加之吸湿和导湿性好，并且有很好的保暖性能，所以牛奶纤维也特别适合用作床上用品。被褥和人体间空间的温度和湿度，可以作为舒适睡眠的特征值，即“睡眠舒适指数”。实验表明，牛奶纤维能够把湿传导性和温暖感完美地结合起来。所以用牛奶纤维制作的床上用品具有较高的“睡眠舒适指数”，即在温度和湿度两方面都具有良好的舒适性。
(三)产品实例
目前市场上已有多种牛奶纤维的面料及其服装。
1．纱残
目前牛奶蛋白纤维主要产品有牛奶蛋白短纤、牛奶蛋白纤维长丝，也可根据客户需求供应牛奶丝/羊毛、牛奶丝/羊绒、牛奶丝/真丝、牛奶丝/天丝、牛奶丝/包芯氨纶等牛奶纤维同其他纤维混纺或合股的纱线。
2．面料
目前牛奶纤维面料市场主要有Pw、Lm、Sm、Am等四大系列。Pw、Lm系列是以100％牛奶纤维织造的针织平纹面料、抽条罗纹面料，其质地轻盈、柔软、滑爽、悬垂，穿着透气、导湿、舒爽，外观光泽优雅、色彩艳丽，适合制作男女T恤、内衣等休闲家居服装；由牛奶纤维和真丝交织而成的Sm系列种类繁多，包括牛奶纤维真丝缎、牛奶纤维真丝纺、牛奶纤维真丝绢、牛奶纤维真丝绉。Sm系列面料集牛奶纤维和真丝的优点于一身，既有牛奶丝纤维轻盈、爽滑、悬垂性好的特性，又具有真丝柔中带韧、光洁艳丽的风格，是纺织界独创的新颖面料，特别适宜制作唐装、旗袍、晚礼服等高级服装；Am系列是将牛奶纤维加入氨纶(莱卡)织造的弹力面料，是一种特殊的复合型面料，具有柔软、弹力适度的优点，兼具牛奶纤维独有的特性，适合制作针织运动上衣、韵律健身服和美体内衣。
3．服装
牛奶纤维早已用于高档时装和内衣的设计和生产。我国第一个牛奶纤维的品牌是上海正家牛奶丝服饰有限公司的“正家”牌牛奶纤维及其系列服饰产品；江苏红豆实业股份有限公司于2001年投入巨资，成功地开发了用100％牛奶纤维织造的红豆牌牛奶纤维T恤衫，该产品在第77届审国针棉织交易会上一亮相便引发商家争相抢购；上海福沁高科技企业发展有限公司研制开发的牛奶纤维保暖内衣材料，已经申请专利。
牛奶纤维存在的问题[4]
牛奶纤维虽然有许多优良的特性，但是作为一种新型纤维，它还存在一些问题，有待进一步完善。
(一)耐热性差
牛奶纤维在干热状态下，120℃以上泛黄，150℃以上变褐色；在湿热状态下，100℃以下保持1h以上轻微泛黄。因此洗涤温度不要超过30℃，熨烫温度不要超过120℃，最好使用“低温”(80～120℃)。
(二)化学稳定性较低
牛奶纤维的耐碱性与其他蛋白质纤维相类似。不能用氯化物漂白剂漂白。
(三)抗皱性差
用牛奶纤维织造而成的机织物的褶皱问题不容忽视。
(四)颜色问题
因为原料纱线中的淡黄色无法去除，所以不能得到纯自颜色的牛奶纤维产品。
(五)价格相对较高
目前，牛奶纤维的生产工艺还不是很成熟，无法实现大规模、批量化生产，因此产量很低。所以牛奶纤维及其产品的价格相对较高。
进入21世纪以来，人们崇尚返璞归真、回归自然，更加注重服饰的舒适性、保健性、高档化和时尚化。因此，牛奶蛋白质纤维作为“绿色”、“保健”型纺织品的代表，已成为国牛奶纤维制品牛奶纤维制品际、国内市场消费的潮流，也满足了消费者对服饰绿色环保、健康、时尚的追求。牛奶蛋白质纤维因其具有以上众多的优点，各国的业内人士都在积极进行这方面的产品开发工作，并且开发的领域呈现多元化，发展十分迅速。
牛奶蛋白纤维可以纯纺，也可以和羊绒、蚕丝、绢丝、棉、毛、麻等纤维进行混纺，织成具有牛奶纤维特性的织物，可开发高档内衣、衬衫、家居服饰、男女T恤、牛奶羊绒裙、休闲装、家纺床上用品等。
牛奶蛋白质纤维既具有天然纤维的优点，又具有化学纤维的特性，品质好，品质指标达到羊绒纺织要求，可与羊绒混纺和纯纺，制成风格独特的高档服饰。目前市场上羊绒的年产量在1万吨左右，吨价在80万元人民币，与羊绒相比有明显的价格优势，经济效益十分显著。牛奶蛋白质纤维进入羊绒市场代替部分羊绒，市场潜力巨大。