考试论文

天津工业大学

题目：大豆纤维的开发利用及其前景展望

期末考试（论文）

姓 名 张潇 学 院 材料学院 专 业 材料084 指导教师 职 称

2011年 4月 26日

天津工业大学2008届本科生期末考试论文

摘 要

大豆蛋白纤维（soybean protein fiber)利用现代纺丝设备，经湿纺法将一定浓度的大豆蛋白质纺丝溶液制成的纤维。该大豆蛋白质纺丝溶液是由大豆榨油后的豆粕中提取的蛋白质，通过助剂与羟基高聚物接枝相溶共聚共混制成的。它不仅具有单丝细度细、密度小、强度高、耐酸碱性能好、外观华丽、吸湿导湿性好等特点， 而且具有羊绒般的柔软手感、蚕丝般的柔和光泽、棉花般的吸湿透气和羊毛般的保暖性能。该纤维被誉为\"人造羊绒\"、“新世纪的健康舒适纤维”。

目前市场上，大豆纤维的主要产品有T恤、内衣、海滩装、休闲服、运动服、时尚女装、衬衣、羊毛衫、西装、床上用品等，充分体现了大豆纤维应用的广泛化，普及化，同时也展现了大豆纤维无穷的风采和魅力。 大豆纤维服装穿着舒适、外观华贵，既具有羊绒般柔软手感、蚕丝般柔和光泽，又符合服装免烫、洗可穿的潮流。作为内衣大豆蛋白纤维与人体皮肤亲和性好，且含有多种人体所必须的氨基酸，具有良好的保健作用。目前大豆纤维的主要产品有羊毛衫、T恤、内衣、海滩装、休闲服、运动服、时尚女装、衬衣、西装、床上用品等。

关键词：大豆蛋白纤维，再生纤维，PVA

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ABSTRACT

Soybean protein fiber use modern spinning equipments,viaing the wet spinning method to use a certain concentration of spinning solution made from soy protein fibers. The spinning solution of soybean protein is soybean meal after oil extraction from soybean protein extracted by chemicals and hydroxyl polymer blends made of graft copolymer miscibility. It’s not only a fiber which has some properties such as single filament fineness thin, low density, high strength, acid and alkali performance, looking gorgeous, moisture absorption and good moisture transmission, but also has a soft feel like cashmere, silk-like soft and shiny, cotton-like moisture permeability and thermal properties of wool-like. The fiber known as \"artificial cashmere\\"healthy and comfortable fiber in the new century.\"

Currently on the market, the main products of soybean fiber T-shirts, underwear, beachwear, casual wear, sportswear, fashion dress, shirts, sweaters, suits, bedding, etc., fully reflects the broad application of soybean fiber, universal also show the presence of soybean fiber and endless charm. Soybean fiber clothing comfort, appearance and luxurious, cashmere-like soft touch with both, soft silk-like luster, but also with clothes iron, wash and wear the trend. As the soybean protein fiber underwear good compatibility with human skin, and contains many amino acids necessary, has a good health care. Currently the main products of soybean fiber sweaters, T-shirts, underwear, beachwear, casual wear, sportswear, fashion dress, shirts, suits, bedding and so on.

Key words: Soybean protein fiber，renewable fibers，pva

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目 录

第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节

大豆蛋白纤维的简介„„„„„„„„„„„„„1 大豆蛋白纤维的制备过程„„„„„„„„„„„3 大豆蛋白纤维的理化性能„„„„„„„„„„„4 大豆蛋白纤维的改性„„„„„„„„„„„„„5 大豆蛋白纤维的用途及前景„„„„„„„„„„7 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„8

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第一节 大豆蛋白纤维的简介

大豆蛋白纤维是一种再生植物蛋白纤维。再生蛋白纤维是从天

然动植物(如肉类、乳类、花生、玉米、大豆等)中提炼出的蛋白质溶解液经纺丝而成。

再生蛋白纤维的研究历史较早，早在1894年国外就有人在明胶液中加入甲醛进行纺丝，制得明胶纤维。此后，国内外曾经采用花生、大豆、玉米、牛奶等为原料试制再生蛋白质纤维，先后制成了以牛乳中提炼的酪素为原料的酪素纤维、以花生为原料的花生蛋白纤维、以大豆为原料的大豆纤维、以玉米中提炼的蛋白质为原料的玉米蛋白纤维、以大豆中提炼的蛋白质为原料的大豆蛋白纤维等。但研制的这些再生蛋白质纤维，因强力低、纤维粗、物理和机械性能差、无服饰用价值、制造难度大等原因，而未能实现工业化生产。后来，由于石油化工业的发展等原因，研究者将新纤维的研究方向转向了合成纤维和再生纤维素纤维的研制，大约在20世纪40年代到50年代问相继成功研制出黏胶、锦纶、涤纶、腈纶、氨纶等化学纤维，并实现了工业化生产。随后的50年成为化学纤维大发展的年代，许多服装、装饰用布、工业用布替代了部分天然纤维。虽然合成纤维有许多优良性能，但也存在吸湿性和透气性差、穿着不舒服等缺点。

随着现代人对服装的追求趋向于自然化、舒适化、休闲化、多样化，天然纤维受到了人们越来越多的青睐。但是，天然纤维棉、麻、羊毛、蚕丝等受到了种植、养殖面积的限制，无法大量发展。因此，从20世纪90年代开始，国内外对再生蛋白质纤维的研制又开始重视起来。日本东洋纺公司开发出了以新西兰牛奶为原料与丙烯腈接枝共聚的再生蛋白质纤维“chinon”，它是目前世界上唯一实现了工业化生产的酪素蛋白纤维。这种纤维具有天然丝般的光泽和柔软手感，有较好的吸湿性和导湿性能，极好的保温性，穿着舒适，但纤维本身呈淡黄色，耐热性差，在干热120℃以上易泛黄，该纤维可做针织套衫、T恤、衬衫、和服等。美国杜邦公司对玉米蛋白纤维的制造过程和纤维性能进行了研究，将玉米蛋白质溶解于溶剂中进行干法纺丝，将玉米蛋白质溶解于碱液中，并加入甲醛或多聚羧酸类交联剂进行湿法纺丝，生产出了玉米蛋白纤维。含有交联剂的玉米蛋白纤维具有耐酸、耐碱、耐溶剂性和防老化性能，且不蛀不霉，它具有棉的舒适性、羊毛的保暖性和蚕丝的手感等特性。

我国从20世纪90年代开始研究开发大豆蛋白纤维。利用从大豆中提炼出来的蛋白质溶解液与聚乙烯醇等共混、接枝改性经湿法纺丝而成的大豆蛋白纤维是一种再生植物蛋白纤维，也是一种绿色

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纤维，是迄今为止唯一由我国自主开发，具有完全知识产权的大豆蛋白纤维材料。

大豆蛋白纤维的结构与性能大豆蛋白纤维是由10余种氨基酸组成的缩聚大分子物质，纤维结构为皮芯结构，截面为哑铃形和不规则三角形，纵向具有凹凸沟槽，纤维表面光滑，有经过机械加工而产生的平面卷曲。大豆蛋白纤维的颜色为米黄色，俗称为“大豆色”，可以进行漂白，光泽柔和，类似于真丝。大豆蛋

白纤维为一种比较理想的新型纤维，具有羊绒般手感、蚕丝般柔和光泽、棉纤维的吸湿导湿性、羊毛的保暖性，具有生态纤维功能，有“人造羊绒”之称。大豆蛋白纤维原色为淡黄色，很像柞蚕丝色。由大豆蛋白纤维织成的织物手感柔软、滑爽，质地轻薄，具有真丝般的光泽和良好的悬垂性。大豆蛋白分子中含有大量的氨基、羧基等亲水基团，使其具有良好的吸湿性，而大豆蛋白纤维表面的沟槽，使纤维具有良好的导湿透气性。由于大豆蛋白纤维的回潮率与棉接近，因此其吸湿性与棉相当，而导湿透气性胜于棉，使得大豆蛋白织物具有很好的穿着舒适性。大豆蛋白纤维耐酸性特好，可用酸性染料、活性染料染色，尤其是经活性染料染色的织物色泽鲜艳有光泽，而且染色牢度优于真丝。由于大豆蛋白纤维的初始模量偏高，所以织物的尺寸稳定性好，抗皱性强，且易洗、快干。

大豆蛋白纤维是以采用生物工程新技术从大豆豆粕中提炼出的蛋白质为原料，经由其他助剂和生物酶的处理，以湿法纺丝而成的再生纤维。大豆蛋白纤维是以出油后的大豆粕为原料，提纯球蛋白，通过助剂的作用，改变球蛋白的空间结构，再添加羟基、氰基高聚物接枝、共聚、共混配制成一定浓度的纺丝液，纺丝液由计量泵打人喷丝头喷丝，丝条进入凝固浴凝固，然后经牵伸、交联、水洗、上油、烘干、卷曲定形、切断得到各种长度规格的纺织用高档纤维。

大豆蛋白纤维可用于针织行业制作内衣和T恤衫。由于该种纤维单丝纤度细，质地轻薄，织物手感特别柔软、光滑，穿着非常舒适。同时大豆蛋白纤维具有较强的抗菌性能，大豆纤维对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌等致病细菌有明显抑制作用。因此，大豆蛋白纤维在内衣、睡衣领域极有开发潜力。大豆蛋白纤维有改善棉织物的手感，增加织物的柔软和滑爽、抗皱性能，增强人身皮肤的舒适性。用大豆纤维／棉纤维混纺的高支纱面料，是制造高档衬衫、高级寝卧具的理想材料。国内一些著名品牌企业已推出大豆纤维／氨纶、大豆纤维／涤纶、大豆纤维／锦纶等各种多组分的面料，用于制作运动服、T恤、内衣、休闲服装、时尚女装等。此类

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面料保留了大豆纤维手感柔软、舒适的优点，利用化纤的不同特性突出面料的独特风格，成为时尚服装的潮流。

第二节 大豆蛋白纤维的制备过程

大豆蛋白纤维是以豆粕为原料，利用生物工程技术提取豆粕中的球蛋白并提纯，提纯的球蛋白改变空间结构，再添加羟基和氰基高聚物配制成一定浓度的蛋白纺丝液，经熟成后用湿法纺丝工艺纺成单丝0．9～3．0dtex的丝束，通过醛化稳定纤维的性能，再经过牵伸、卷曲、热定型、切断等工序生产出各种长度规格的大豆蛋白短纤维。大豆蛋白纤维生产工艺流程如下：从大豆粕中提取纯蛋白质一纯蛋白质溶解制成要求浓度，按比例混合搅拌成纺丝原PVA溶解成所需浓度原液一过滤一湿法纺丝一凝固浴丝条凝固一空气牵伸一湿浴牵伸一干热牵伸一半成品一半成品交联(缩醛化)一水洗一上油一烘干一卷曲定型一切断为成品

由于大豆蛋白纤维的主要原料来自于自然界的大豆粕， 原料

丰富且具有可再生性， 不会对资源造成掠夺性开发。在大豆蛋白纤维生产过程中，由于所使用的辅料、助剂均无毒， 且大部分助剂和半成品纤维均可回收重新使用。提取蛋白后留下的残渣还可以作为饲料， 生产过程不会对环境造成污染。

大豆蛋白质纤维通常是先将大豆脱脂成豆粕并粉碎成脱脂豆粕粉，然后用碱提酸沉等方法分离出大豆蛋白，再将分离蛋白溶解纺丝，具体生产过程分如下几个环节：

( 1 ) 脱脂

大豆脱脂方法分为压榨法和浸出法两种，通常在油脂下进行。压榨法又分为普通压榨和螺旋压榨两种。普通压榨就是传统的榨油技术，螺旋压榨是螺杆挤压榨油。但在榨油过程中因挤压和摩擦生热，易使蛋白质变性，并且榨油率仅为 9 0 ％～9 5 ％， 所 以工业化生产一般不采用压榨法。溶剂浸出法是利用溶剂从压扁的大豆中抽取出油脂的一种方式， 油脂脱除率可达到9 8 .5 ％～9 9 ％以上。浸出法常用的溶剂为正己烷 ，也有使用石油醚混合溶剂的。正己烷沸点只有6 8 ～7 0 ℃，因此可以制得蛋白质变性程度很低的脱脂饼粕，称为低温浸出粕。而用石油醚浸出时， 因脱除溶剂需要很高的温度。因此，制成的脱脂豆粕变性程度较高，影响豆粕质量，故称为高温浸出粕。 ( 2 ) 分离

所谓分离大豆蛋白从制品角度讲就是一种高纯度的大豆制品。分离大豆蛋白质含量高达9 0％以上。国内外生产分离大豆蛋白的方法主要是碱提酸沉法，发达国家也有使用超滤膜法和离子交换法的。

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低温脱脂豆粉中的蛋白质能溶于稀碱溶液，所以将低温脱脂豆粉用稀碱浸提后，再经过滤或离心分离就可以除去豆粕中的不溶性物质。当酸把浸出液 p H值调节至 4.5左右时， 蛋白质处于等电点状态而发生凝结沉淀，经分离可得到蛋白质沉淀物，再经干燥即得到分离大豆蛋白。碱提酸沉法生产分离大豆蛋白首先要将豆粕粉碎成 4 0 ～6 0目粕粉，然后与水混合进行浸提。浸提，一段时间后，还可用胶体磨研磨二次，以提高浸提效率和蛋白质溶出率。 浸提的具体过程是，先将脱脂豆粉投入浸提罐中，注入豆粕重量1 4、1 6倍的水，用 NaOH

溶液将浸提液pH值调至9 .0 ～9 .5 ，提取过程中需不断搅拌，搅拌速度以30 ～35r／min

为宜。浸提温度通常控制在30～170℃之间，温度高，浸出效率高，但温度过高时，黏度增加，分离困难，且易使蛋白质变性，影响产品质量。浸提时间一般不超过120min。通常在浸提终止前 30 mi n停止搅拌。然后，将提取液通过滤筒放出，剩余残渣进行二次浸提，浸提条件与第一次浸提基本相同，时间为90min。

浸提完成后的滤筒流 出液即为粗滤液，把两次粗滤流出液合并在一起，通过离心分离除去浸提液中的细豆渣，即完成了一次分离。离心机筛网一般在100 ～140目， 而掂筒筛网在60 ～80目之间。

第三节

大豆蛋白纤维的理化性能

3.1 结构特征

提纯后的大豆蛋白化学组分为“多缩氨酸”，以谷氨酸 、天冬氨酸 、 亮氨酸 、精氨酸为主的18种氨基酸组成，与水溶性聚乙烯醇(PVA)共混后以甲醛作交联剂进行缩醛化处理成为不溶性纤维。纤维中的聚乙烯醇与大豆蛋白分子间产生交联反应 ，以氢键、酯键等形式组合成新型纤维。由于两者质量比的差异 ， 大豆蛋白分子在纤维中是呈分散相分布(或称海岛状) ，而PVA则呈连续相，表皮层表现为PVA。

3.2 耐碱性

蛋白质组分在纤维中不论交联或物理混合,其化学性质都具有碱溶性。溶解速度随温度的升高及碱浓度的增加而增加 。 3.3 抗氧化性

大豆蛋白纤维抗氧化性较好。蛋白质分子在碱性条件下易氧化，产生降解作用，但大多被包覆在PVA大分子中，故失重少。纤维因碱性氨基酸氧化会造成与

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酸性染料的亲合力下降，对酸性染料上染率的提升略有影响。但其蛋白质含量少 (24％) ，又在PVA包覆中，使用中未见明显影响。 3.4 抗还原性

大豆蛋白纤维与PVA都有较好的抗还原性，在还原剂作用下，无明显失重率 ，故还原漂白对强力也无明显降低 。 3．5 溶解度

大豆蛋白纤维的蛋白质溶解度随pH值的改变而变化，pH<4.6时，pH值越小溶解度也越小；pH>4.6时，pH值越大溶解度越大 。 3.6 热稳定性

PVA与蛋白质分子热稳定性都不太好。共混纤维也有相同性质。共混纤维在 100度以下的湿热状态处理时耐受性尚可，缩率小于5％，而温度升高至100度以上，纤维则发生收缩、泛黄、断裂强力降低、手感变硬、纤维粘连，酸性染料上染率下降等变化。

第四节 大豆蛋白纤维的改性

4.1 大豆蛋白改性腈纶

将大豆蛋白加入50％硫氰酸钠水溶液中,在65～80℃下水浴中进行搅拌溶解，得到大豆蛋白溶液后，冷却至室温，依次加入丙烯腈、丙烯酸甲酯(质量分数为丙烯腈的5％)和引发剂偶氮二异丁腈，在60～70℃下聚合6h，制得改性聚丙腈。其中大豆蛋白与丙烯腈的质量投料比为 10/3 ～1/2，黄豆蛋白和丙烯腈(含丙烯酸甲酌的总质量分数为13％) 。

将改性后的聚丙烯腈聚合物原液混炼脱泡、制成纺丝液再经过滤、挤出、凝 固、预拉伸、拉伸、水洗、卷绕、干燥致密化，可获得吸湿性聚丙烯晴。纺丝过程中的条件为：纺丝温度60℃，泵供量3.0～3.4cm/min；喷丝板孔径0.08mm。孔数30；凝固浴10％硫氰酸钠水溶液，5～70℃；主拉伸100℃，总拉伸倍数 6 .3～9.0倍；单丝线密度5.0～11.0dtex；干燥致密化温度120℃，时间30 mi n获得的改性腈纶断裂伸长率25．4％，回潮率1.7％，保水率8．3％ 。 4.2 阻燃蛋白纤维

将大豆蛋白纤维用蒸馏水煮沸1h ，取出后用蒸馏水冲洗若干次，置于60℃的电热恒温干燥箱中烘干，放于干燥器中备用。 取一定质量的TBPA溶于N，N 二甲基甲酰胺中，待TBPA完全溶解后，加入定量的蒸馏水配成质量分数为0 ．8％的TBPA的溶液，然后加入与TBPA等摩尔的有机二酸，加盐酸质量分数为37 ％，调节pH值小于3。将一定质量预处理后的大豆蛋白纤维浸入到已制备好的阻燃剂TBPA中，控制浴比为1：30 ，温度在 80～85℃

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之间。在此条件下处理1h,其间应不断搅拌，并使pH值始终保持3以下，之后取出置于60℃左右的电热恒温干燥箱中烘干。 4.3 大豆蛋白/纤维素复合纤维

大豆分离蛋白用pH值为9的氢氧化钠水溶液使其溶解，大豆蛋白纺丝液浓度为15％，温度为40℃。将大豆蛋白纺丝液以大豆蛋白与纤维素20：80的比例， 用纺前注射装置混入以传统方法制取的粘胶纺丝液中， 经含硫酸、硫酸钠、硫酸锌的凝固浴中凝固成形。将成形后的丝饼用甲醛进行缩醛化处理。而后经过黏胶纤维常规后加工工序制得大豆蛋白/纤维素复合长丝。 4.4 改性大豆蛋白纤维

大豆蛋白纤维是一种再生蛋白质纤维，其大分子侧链上有很多活性基可以作为活性反应点，因此可以进行接枝改性。目前可以采用的接技单体主要有：甲基丙烯酸酯类如甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸丁酯等，丙烯酰胺类如甲基丙烯酰胺、羟甲基丙烯酰胺等。大豆蛋白纤维的化学反应性较差，对大豆蛋白纤维的接枝改性，必须选择反应性较强的接枝单体。甲基丙烯酸缩水 甘油酯(GMA)分子结构中除了含有烯基以外还含有一个环氧基， 在与纤维发生共聚接枝反应的同时，环氧基也可与纤维发生交联反应。

大豆蛋白复合纤维是由大豆蛋白质和聚乙烯醇组成。腈纶是仿羊毛纤维， 不含任何蛋白质，为了改善腈纶的人体亲和性，可将聚丙烯腈与大豆蛋白进行接枝改性。甲基丙烯酸缩水甘油酯( GMA) 由于分子内含有双键和环氧基，广泛用于多种材料的改性。通过甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的高分子材料， 其耐温性能、 耐水性能、黏接强度等都得到提高。甲基丙烯酸缩水甘油酯可以通过甲基丙烯酸钠，酸甲酯与缩水甘油进行酯交换得到。

4.5 新天然和再生纤维染色

随着现代科技的发展，新的天然纤维和再生纤维不断开发出来，而且多半是环保产品，它们的染色性能和常规的天然及再生纤维有很大不同。

目前生产的大豆蛋白质纤维是短纤维，纤维截面是不规则的哑铃状，纵向不光滑、有凹槽，其中蛋白质含量为23％～25％，其余主要为 PVA，蛋白质主要呈不连续的团块状分散在连续的 PVA介质中。这种组成和结构使它具有较好的吸湿性和导湿透气性 ，由于大豆蛋白质本身易泛黄，纤维呈米黄色， 较难漂白。耐干热性较好，但耐湿性较差，在100t 以上水浴中收缩较大，这和聚乙烯醇纤

维类似，耐酸性较好、耐碱稍差，其中的蛋白质容易水解，PVA也是易溶胀。因此， 在染色时要注意湿热碱液处理。

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第五节 大豆蛋白纤维的用途及前景

大豆蛋白纤维具有羊绒和桑蚕丝的某些特性，纤维性能优异。用该纤维生产 出的面料，手感和悬垂性均很好，制成的衬衣，围巾等，摸上去感觉柔软、舒适。此外在大豆蛋白纤维纺丝工艺中加入定量的有杀菌消炎作用的中草药可与蛋白质侧链以化学键相结合，药效显著、持久，具有很好的保健作用。

大豆蛋白富含大豆低聚糖、异黄酮和皂甙，大豆蛋白质中的酪氨酸、苯丙氨酸对波长小于300 nm的光具有强的吸收性。

大豆纤维能抗金黄色葡萄球菌等细菌，大纤维能抗大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌，抑菌率达到97．4％以上，是良好的抗菌纤维。

大豆蛋白还能在一定条件下释放电子。当温度、湿度、酸碱度存在变化时 (即使是微小的变化)，引起其释放电子其能量足以使空气发生电离，被击下的电子附着与临近的分子并使它转化为空气负离子。空气负氧离子在空气中呈“ z ” 字形移动。在移动过程中不断输送负电荷给细菌、灰尘、 烟雾微粒以及水滴等， 电荷与这些微粒相结合积聚成球，然后落到地面，从而净化空气。 除了上述作用外，大豆纤维产生负氧离子还有赖于织物受到摩擦时， 织物上产生静电荷，通过织物表面的毛羽向周围空气放电，从而加剧空气电离后负离子的产生。

大豆蛋白纤维是我国独创的一种新型合成纤维。它有丝的光泽和触感 ，又有比棉纱更高的强力和条干，是一种良好的纺织品原料。但其不耐碱，不能经受精练 、丝光等工艺处理；其热稳定性差，不能与涤纶混纺和交织；它对双结构活性染料接染性好，又可与酸性染料上染 ，因此与再生纤维素纤维组合或交捻设计的品种，可用90度以下温度染色，用活性酸性二浴染色，或酸性一浴染色 ， 可获双色的色织效应。不仅可以避开精练工艺，而且可以弥补大豆纤维保湿的不 良，更能改善织物手感，提高织物的悦肤指数。 随着人们生活水平的提高和对环境的保护意识的增加，发展大豆蛋白纤维是很有前途的。

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参考文献

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织学报，2004(6)：43—44． [3] 梅士英，唐人成．大豆蛋白纤维性能及织物练染工艺初探【J】．印染，2001(5)：5—9． [4] 杨东洁．纤维纺丝工艺与质量控制（上册）．中国纺织出版社，2008．10．

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