发布时间 : 星期四 文章纤维化学与物理-第三章蛋白质纤维-羊毛更新完毕开始阅读
3.2 羊毛纤维 P208-225 一、羊毛的形态结构 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
? 使用羊毛的历史：新石器时代，公元前3000～4000年
? 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 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
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。 羊毛的初加工：
? 选毛：按原毛品质加以区别分类，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
一、羊毛的形态结构
? 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P209图5－8所示。
1. 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
? 排列方式：定向，自由端均指向毛尖方向并包覆在羊毛纤维的表面
? 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：一般细羊毛鳞片的可见高度（鳞片暴露程度）低于粗羊毛， 其鳞片层的总厚度则较粗羊毛的大。
? 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，摩擦系数大，并有优良的缩绒性，同时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％，结构十分复杂（如P210图5－9所示），分为： ? 鳞片表层 ? 鳞片外层 ? 鳞片内层
（1）鳞片表层
? 又称表皮细胞薄膜层，含量少，重量约占羊毛的0.1％，厚度约3nm，却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（据估计，鳞片表层中50％的赖氨
酸和谷氨酸残基形成了酰胺键交联），因此耐化学性能较强。 （2）鳞片外层：
? 位于鳞片表层之下，是一层较厚的蛋白质，在整个羊毛鳞片中厚度分布并不均匀。
? 主要由角质化蛋白质构成，细羊毛中其重量约总重量的6.4％，结构坚硬难以被膨化，是羊毛鳞片的主要组成部分。 ? 可以细分为鳞片外A层和鳞片外B层：
? 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。 （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。 鳞片层的作用：
①鳞片是角质化了的细胞，可以保护羊毛内层组织，抵抗外界机械、化学作用等的侵蚀。
②鳞片的排列具有方向性，前缘向着纤维顶端，形成一个突出物，因此羊毛纤维之间从不同方向摩擦时，会产生定（异）
向摩擦效应DFE，结合机械、水、热、化学等的作用，会产生缩绒作用，过于激烈，则导致羊毛毡化。
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。 2. 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％。
? 由纺锤形细胞组成，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。
Cashmere down cortical cells Goat guard hair cortical cells
? 角朊是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实际上是属于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。 皮质细胞一般分为两种：
? 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，但较为少见。
? 不同总类的羊毛纤维，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。
? 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。
? 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。（P213图5－10）
? 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。 3.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P213图5－11所示。
按毛纤维的组织结构分类： 1、 细绒毛（无髓毛）
? 弯曲多，细度均匀，d＜30um， 制造精纺呢绒，羊毛衫。 平均细度为14-16um的细绒毛称为羊绒。
2、两型毛：粗细不太均匀，d＝30～52.5um，介于有髓毛和无髓毛之间，有断断续续的髓质层，适合中档呢绒。 3、发毛，粗羊毛（有髓毛——连续髓质层）
? 细刚毛：卷曲甚少，粗直，光泽强，d＝52.5～75um；制造长毛绒织物的优良原料。
? 粗刚毛：纤维粗直，无弯曲，长度较长，d＞75um；手感粗硬，无卷曲，有耐压缩弹性，适合制造地毯。髓质层连
续长度达25mm以上、宽度超过羊毛纤维1/3以上的叫做腔毛。
4、死毛： 除鳞片层外，几乎全是髓质层。纤维粗短刚直，脆弱易断，色泽枯白，不易染色，没有纺织价值。 4.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％），但由于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，
因而对羊毛的机械性能起着至关重要的作用。
CMC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。
（1）δ层：
酸等带有疏水性侧基的氨基酸残基含量最高。
? 主要由非角质化蛋白质构成。在构成此类蛋白质的氨基酸残基中，胱氨酸残基含量极低，而甘氨酸、酪氨酸、苯丙氨? 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：
? 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。
? CMC是羊毛除鳞片表层以外的内部脂质，脂质分布范围占整个毛干纤维的57％，是羊毛的主要结构脂质，占羊毛质
量分数的5％～7％，在鳞片和皮质细胞之间的CMC厚约28nm。
? CMC脂质与蛋白质结合形成脂蛋白，能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脂质与人表皮角质层脂质类同，主要组分为:脂酰基鞘氨醇、胆固醇硫酸酯、胆固醇等。
? 当羊毛受到各种物理化学因素影响时，也会导致羊毛中CMC含量的减少，结果导致鳞片细胞脱落，鳞片翘起。 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P114图3－1所示。
2、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，过细的羊毛纺纱时也容易产生疵点。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。 3．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，一般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。 4．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P215图5－12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，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。 三、羊毛的近程结构（化学组成、分子结构） 1、含硫量特点 P215
（1）羊毛细度不同，含硫量不同，随直径增大而减少； （2）同一只羊的羊毛含硫量：体侧>颈背；
（3）同一根羊毛：根>中>尖，鳞片>皮质>髓质
（4）在皮质层中：P皮质细胞（副，稳定）>O皮质细胞（正，活泼） （5）同一皮质细胞：基质>原纤 2、化学组成（氨基酸）特点
结合P196表5-1分析
（1）侧基简单的α—氨基酸含量比丝素低得多（如乙、丙氨酸）；侧基大的氨基酸含量比丝素高得多（如亮、异亮、精
氨酸等）；
（2）侧基含极性基的α—氨基酸含量比丝素高得多（二羧基和二氨基氨基酸含量都较高） 羊毛 丝素 ? 碱性基（氨基、咪唑基） 13.98 1.67 ? 酸性基（羧基） 21.06 3.47
? 羟基 21.45 28.01 ? 极性侧基合计 56.49 33.15 （3）胱氨酸含量高达12.02% 四、羊毛的远程结构（构象）
? 羊毛蛋白分子链的构象比较复杂；
? 存在α—螺旋构象：多肽链如同沿着圆柱体的表面呈螺旋形卷绕，每卷绕一圈，间隔3.6个氨基酸剩基，每个氨基酸
在轴向的垂直距离为0.15nm（1.5A）；
? 约50%的低硫蛋白质多肽链呈α—螺旋构象（主要构成原纤）； ? 高硫蛋白质多肽链一般呈无规卷曲（主要构成基质）。
随拉伸程度增加，α—螺旋构象逐渐转化为β—构象