羊毛纤维的结构和性能特点

（一）羊毛的形态结构

1.羊毛的组成

羊毛除了主要的角蛋白成分外，还含有羊脂、羊汗、沙土和植物性杂质等其他非蛋白质物质。

羊毛含杂情况因种类和生活环境的不同而有很大差异，一般细羊毛较粗羊毛含杂量高，其含量对比如表1-7所示。

表1-7　细羊毛与粗羊毛的组成

羊脂和羊汗在自然环境中起到保护羊毛的作用。羊脂是由高级脂肪酸和高级一元醇组成的复杂的有机混合物，脂肪酸约占羊脂总量的45%～55%，高级一元醇占30%～35%。羊汗由有机酸盐类和无机酸盐类组成，以碳酸钾等无机盐为主，约占90%，脂肪酸钾盐占3%～5%，羊汗能溶于水。羊毛去除各种杂质后剩下的主要成分为角蛋白，其元素组成如下：

角蛋白中硫的含量随羊的品种、饲养条件、羊的部位、所处羊毛的部位不同而有较大差异，如细羊毛的含硫量比粗羊毛高，鳞片层的含硫量比髓质层高。

2.羊毛的形态结构

羊毛由多种细胞组成，依照细胞的性质、形状和大小的不同，分为三种类型，相应地组成羊毛纤维的鳞片层、皮质层和髓质层。

（1）鳞片层。鳞片层包覆在毛干的外部，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，起到保护羊毛内层组织，抵抗外界机械、化学侵蚀等作用，质量约占羊毛的10%。羊毛的鳞片层如同鱼鳞或瓦片重叠覆盖在毛干表面，鳞片根部长自毛干，上端开口指向毛尖，层层相叠，每毫米长的细羊毛有鳞片100层左右，粗羊毛约有50层。细羊毛鳞片一般呈环状覆盖，粗羊毛呈瓦状或龟裂状覆盖。

图1-6　羊毛鳞片层的结构

鳞片层具有十分复杂的结构，由鳞片表层、鳞片外层和鳞片内层组成，如图1-6所示。

鳞片表层又称表皮细胞薄膜层，实质上是一般动物细胞表面的原生质细胞膜转化而成的一层薄膜，厚度约3nm，质量约占羊毛的0.1%，主要是含胱氨酸量达12%的蛋白质，具有良好的化学惰性，能耐碱、氧化剂、还原剂和蛋白酶的作用。鳞片表层的化学稳定性和其独特的化学结构有关。鳞片表层的表面排列有整齐的单类脂层结构（类脂层的主要成分为18-甲基二十酸和二十酸，厚度约为0.9nm），非极性基团向外，使羊毛具有疏水性。类脂层之下为蛋白层，类脂层和类脂层之下的蛋白层以酯键和硫酯键结合。该蛋白层在肽链间除有二硫键交联外，还有酰胺键交联，酰胺键交联由谷氨酸和赖氨酸残基反应而成。鳞片表层中50%的谷氨酸和赖氨酸残基形成了酰胺键交联，酰胺键交联的存在也是鳞片表层具有较强化学稳定性的原因之一。

鳞片外层位于鳞片表层之下，是一层较厚的蛋白质，主要由角质化的蛋白质构成，其质量约占羊毛总质量的6.4%，难以膨化，是羊毛鳞片的主要组成部分。鳞片外层又可分为鳞片外A层和鳞片外B层。A层位于羊毛的外侧，胱氨酸残基含量很高，约占35%（物质的量分数），即每三个氨基酸残基中就有一个是胱氨酸残基，是羊毛结构中含硫量最高的部位，难以被膨化。胱氨酸以二硫键形式存在，致使A层微结构十分紧密，且结构坚硬，有保护毛干的作用，能经受生长过程中的风吹日晒，经得起一般氧化剂、还原剂以及酸、碱的作用，性质比皮质层稳定得多，是羊毛漂、染过程中阻挡各种试剂扩散的障碍。B层位于内侧，含硫量稍低，但仍比其他部位的含硫量高。

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，在细羊毛中质量约占羊毛总质量的3.6%。鳞片内层中只含约3%（物质的量分数）的胱氨酸残基，极性氨基酸的含量相当丰富，化学性质活泼，易于被化学试剂和水膨润，可被蛋白酶消化。

（2）皮质层。皮质层是组成羊毛实体的主要部分，占羊毛总体积的75%～90%，由皮质细胞通过细胞间质粘连而成，是决定羊毛纤维物理、化学性质的主要结构部分。

（3）髓质层。毛干中心的毛髓组成髓质层，细羊毛无髓质层。

鳞片细胞和鳞片细胞之间、鳞片细胞和皮质细胞之间、皮质细胞和皮质细胞之间通过细胞间质（细胞间黏合剂）黏合起来构成羊毛整体。两相邻细胞的细胞膜原生质和细胞间质构成细胞膜复合物，充填于细胞间的空隙之中，以网状结构存在于整个羊毛结构中，含量虽仅占羊毛纤维总质量的3%～5%，但是羊毛内唯一连续的组织，对羊毛的机械性能起着十分重要的作用。

（二）羊毛角蛋白的分子结构

羊毛角蛋白是由C、H、O、N、S元素构成的多种a-氨基酸缩合而成的链状大分子，其中二氨基氨基酸（精氨酸、赖氨酸）、二羧基氨基酸（天门冬氨酸、谷氨酸）和胱氨酸的含量很高，分子间形成大量的盐式键、二硫键和氢键，使角蛋白大分子间具有网状结构。羊毛多缩氨酸主链的空间构型为α-螺旋结构，如图1-7所示。

图1-7　α-螺旋结构示意

（三）羊毛的性质

1.羊毛的可塑性

羊毛在加工过程中常受到拉伸、弯曲等各种外力作用，使纤维改变原来的形态。由于羊毛具有较好的弹性，它力图回复到原来的形态，因此在纤维内部产生了各种应力，这种内应力需要在相当长的时间内逐渐衰减以致消除，它常给羊毛制品的加工造成困难，也是造成羊毛制品在加工和使用过程中尺寸和形态不稳定的因素之一。羊毛的可塑性是指羊毛在湿热条件下，可使其内应力迅速衰减，并可按外力作用改变现有形态，再经冷却或烘干使形态保持下来。羊毛的可塑性是与其多肽链构象的变化，以及肽链间副键的拆散和重建密切相关的。将受到拉伸应力的羊毛纤维在热水或蒸汽中处理很短时间，然后除去外力并在蒸汽中任其收缩，纤维能够收缩到比原来的长度还短，这种现象称为“过缩”。产生这种现象的原因是，外力和湿、热的作用使肽链的构象发生变化，原来的副键被拆散，但因处理时间很短，尚未在新的位置上建立起新的副键，多肽链可以自由收缩，故产生过缩。若将受有拉伸应力的羊毛纤维在热水或蒸汽中处理稍长时间，除去外力后纤维并不回复到原来长度，但在更高的温度条件下处理，纤维仍可收缩，这种现象称为“暂定”。这是由于副键被拆散后，在新的位置上尚未全部建立起新的副键或副键结合得尚不够稳固，因此只能使形态暂时稳定，遇到适当条件仍可回缩。如果将伸长的羊毛纤维在热水或蒸汽中处理更长时间（如1～2h），则外力去除后，即使再经蒸汽处理，也仅能使纤维稍微收缩，这种现象称为“永定”。这是由于处理时间较长，副键被拆散后，在新的位置上又重新建立起新的、稳固的副键，使多肽链的构象稳定下来，从而能阻止羊毛纤维从形变中回复原状，产生“永定”。

毛织物的定形就是利用羊毛纤维的可塑性，将毛织物在一定的温度、湿度及外力作用下处理一定时间，通过肽链间副键的拆散和重建，使其获得稳定的尺寸和形态。毛织物在染整加工过程中的煮呢、蒸呢、电压和定幅烘燥等都具有定形作用。它们的定形作用究竟属于暂定还是永定，要看定形的条件和效果，两者并没有截然的界限。(www.xing528.com)

毛料服装的熨烫也是利用羊毛纤维的可塑性，在湿、热和压力作用下，使服装变得平整无皱，形成的褶皱也可保持较长时间。

2.热的作用

羊毛耐热性较差，在加工和使用中，要求干热不超过70℃。当温度达到100～105℃时，纤维很快失水、干燥而变得脆弱，强力降低，泛黄。

3.水和蒸汽的作用

羊毛具有较强的吸湿性，在相对湿度60%～80%时，含水率达15%～18%。羊毛吸湿后溶胀，在冷水中纤维充分吸湿，截面可增加18%，长度仅增加1%～2%。吸湿后的羊毛纤维由于氢键、盐式键受到削弱，分子间力下降，纤维强度降至干强的95%～97%。在沸水或蒸汽中，纤维受到剧烈的溶胀作用，同时多缩氨酸主链和支链的交键受到一定程度的水解，导致机械性能发生变化。在80℃以下的水中，羊毛受影响较小。在90～100℃用蒸汽处理3h，纤维失重18%。温度再高，水对纤维的作用比蒸汽大，在80～110℃的水中或在100～115℃的蒸汽中处理，纤维损伤明显。

4.酸的作用

羊毛对酸的作用比较稳定，属于耐酸性较好的纤维，因此可以用强酸性染料，在pH2～4的染浴中沸染，还可以用硫酸进行炭化，以去除原毛中的草籽、草屑等植物性杂质。

但酸对羊毛纤维并不是完全没有破坏作用的。酸可以抑制羧基电离，并与游离的氨基结合，从而拆散了肽链之间的盐式键，使纤维的强度降低。随着酸的作用条件不同，蛋白质大分子中的肽键也会受到不同程度的水解。例如，用1mol/L盐酸80℃处理羊毛，1h后纤维强度降至85%，2h后降至75%，4h后降至51%，8h后纤维强度仅有4%。

酸对羊毛纤维的损伤，无机酸强于有机酸。在浓度一定的酸液中，有中性盐存在时要比无中性盐存在的损伤更为强烈。

5.碱的作用

羊毛对碱的稳定性差，碱能拆散多缩氨酸链之间的盐式键，多缩氨酸主链在碱中也能发生水解，使聚合度下降。某些氨基酸如胱氨酸、精氨酸、组氨酸、丝氨酸等在碱中也会发生水解，影响主链及分子间的副键。羊毛经碱作用后变黄、含硫量降低、溶解性增加，受到严重损伤，影响程度与碱的性质、碱的浓度、作用时间和作用温度等有关。如在沸热的3%氢氧化钠溶液中处理，羊毛立即溶解。二硫键、氢键的拆散使羊毛的分子间力下降，羊毛在碱中的溶解度增加。因此，可用碱溶法检验羊毛损伤的程度。

6.还原剂的作用

还原剂主要与羊毛纤维中的二硫键起反应，在碱性介质中，破坏作用更为强烈。硫化钠对胱氨酸的破坏反应如下：

亚硫酸氢钠与羊毛胱氨酸键的反应如下：

其他还原剂如保险粉等也能破坏羊毛中的胱氨酸键。

7.氧化剂的作用

羊毛加工常使用氧化剂，主要是用作漂白和防缩。毛纤维对氧化剂比较敏感，特别是含氯氧化剂，在高温下作用更为强烈。过氧化氢对羊毛的作用比较缓和，常用于漂白，但条件控制不当，仍会造成损伤，pH是最大的影响因素。pH＞7时，H2O2除能使二硫键发生氧化外，也能与多缩氨酸键发生反应，使羊毛角质退化。纤维损伤的程度与H2O2的浓度、处理温度及处理时间有关，铜、镍等金属离子也能起催化作用。

在羊毛加工中使用含氯氧化剂会破坏鳞片层，使羊毛的缩绒性受到影响。但有时为了获得防缩效果，特意用次氯酸钠等溶液处理羊毛，并调节溶液的pH来控制作用的程度。当pH＜4时，溶液中游离的氯较多，与羊毛的作用剧烈。pH为5～6时，溶液中次氯酸的含量较高，与羊毛的作用较缓和。但从全面看，含氯氧化剂对纤维的氯化作用会使羊毛受到一定损伤，手感变粗糙，且有泛黄和染色不匀等缺点，使用时要慎重。