樣品長度和拉伸速度對生絲拉伸試驗結果的影響

趙天福，韓 冷，王玉軍，徐 水

(1.西南大學生物技術學院，重慶400716;2.信州大學 纖維學部應用科學科，日本上田386-8567)

家蠶絲歷史悠久，是一種天然蛋白質長纖維。長期以來，蠶絲用于服用纖維材料，其光澤及與人體皮膚的相容性、吸濕、保溫等特性受到人們的重視［1］，其強度及斷裂伸長率卻很少受到關注。隨著化學纖維的興起，蠶絲纖維曾一度處于競爭劣勢，蠶絲的強度和色牢度較低等因素一度成為主要原因。蠶絲由蠶在常溫、常壓條件下吐絲形成，不需要使用劇烈的化學試劑，生產過程的環境負荷低。在環保問題日趨嚴重的今天，蠶絲再次受到矚目。研究者開始利用各種方法試圖改變蠶絲的特性以賦予其新的用途。例如，利用生物工程方法向蠶導入外源基因，向蠶絲蛋白質中引入蜘蛛絲蛋白［2-3］、熒光蛋白［4］等。其中利用導入外源蛋白增強蠶絲強度的研究倍受關注。外源蛋白在氨基酸序列、分子大小方面與蠶絲不同。外源蛋白的摻入，改變了絲纖維的一級結構，纖維內分子間鍵的構成發生變化，在拉伸試驗中化學鍵的斷裂和再形成，最終影響生絲的機械性能。正確評價改性后蠶絲的機械性能非常重要。不同的研究者在測定生絲強度等機械性能時，采用的試驗條件和方法有一定差異，如生絲樣品的長度、拉伸的速度等不盡相同，得出的結果不便于相互比較。本研究調查分析了生絲拉伸試驗中的絲樣品固定方式、絲樣長度、拉伸速度等對生絲強度、斷裂伸長率、初始模量和斷裂功測定值的影響，以期為正確評價轉基因蠶絲等改性蠶絲的機械性能提供試驗方法的參考。

1 試驗

1.1 材 料

蠶繭由信州大學纖維學部附屬農場提供。蠶品種為“錦秋×鐘和”雜交種非轉基因蠶品種。采用10粒繭定?？壗z得到的生絲，經干燥后卷取120 m精確稱量，計算得到該絲的纖度為26.6 dtex(23.9 D)。

1.2 方 法

1.2.1 絲樣的制作

粘貼絲樣紙框的制作:在厚紙上用刀片挖出長方形的孔，制成用于粘貼拉伸試驗用絲樣品的紙框?？讓? mm，孔長分別為20、40、60、80 mm 和100 mm，共5種規格，孔四周準確保留紙寬5 mm，剪去多余的紙。

絲樣品粘貼:分別取比上述紙框長邊略長的生絲，絲的長軸與紙框長邊平行，置于上述紙框中央。絲兩端用NW-10雙面膠(日本NICHIBAN公司)或SS-2000瞬間接著劑(以下稱速干膠水，日本YAMATO公司)粘貼到紙框的較短一邊的邊框上。剪去長出紙框邊沿多余的絲。使用的NW-10雙面膠有普通強度和高強度兩種。

20 mm的絲樣制作60個，各取15個分別用下述4種方式固定到紙框上:1)兩端均用普通強度雙面膠(以下簡稱“普通-普通”);2)一端用普通強度雙面膠，另一端用高強度雙面膠(以下簡稱“普通-高強”);3)兩端均用高強度雙面膠(以下簡稱“高強-高強”);4)兩端用速干膠水(以下簡稱“速干-速干”)。該60個樣品用于下述固定絕對拉伸速度的試驗。

另外制作長40、60、80 mm和100 mm絲樣各30個，兩端均用速干膠水固定。每種長度絲樣各取15個分別用于定速拉伸和定長拉伸的試驗。

1.2.2 拉伸試驗和數據分析

拉伸試驗在AGS拉伸試驗機(日本島津公司)上進行。樣品在20℃、相對濕度65%的條件下平衡24 h后隨即開始試驗。試驗環境條件同樣為20℃、相對濕度65%。試驗時將粘有樣品的紙框兩個短邊分別夾進試驗機的上下樣品夾后，剪斷長邊的紙框后開始試驗。拉伸速度分兩種:1)定速拉伸速度為20 mm/min;2)定長拉伸使每分鐘伸長率為100%，換算為絕對拉伸速度時，對20、40、60、80 mm 和100 mm長的絲樣分別用 20、40、60、80、100 mm/min 的速度拉伸。拉伸試驗按預定的速度進行，直到應力降為0，試驗機自動停止并復位。試驗數據用TRAPEZIUMX(日本島津公司)和Excel2000(美國微軟公司)進行分析處理。

2 結果與討論

2.1 不同粘貼方法的拉伸試驗結果

對用4種不同方式固定在紙框上的長度20 mm的絲樣，在定速拉伸20 mm/min下試驗，結果如表1所示。表1中初始模量是通過軟件計算得到的載荷10～40 cN區段的彈性模量(下同)。對于在試驗中被拉斷的樣品，應力最大點即是斷裂點，斷裂功就是從開始點到斷裂點吸收的能量。一部分絲樣在斷裂前從固定紙框上滑落，對這部分樣品記錄的是最大應力點的強度、伸長率和從開始點到最大應力點之間所做的功。為便于敘述，下文統一稱為斷裂強度、斷裂伸長率和斷裂功。

表1 不同方法粘貼生絲樣品的拉伸試驗結果Tab.1 The results of tensile test of raw silk samples with different sticking methods

從表1可見，不同生絲樣品的固定方法所得到的試驗結果差異很大。斷裂強度從小到大為:普通-普通、普通-高強、高強-高強、速干-速干;伸長率從小到大則為:速干-速干、普通-普通、普通-高強、高強-高強，速干膠水固定的絲樣反而最低;初始模量趨勢與伸長率剛好相反，從大到小為:速干-速干、普通-普通、普通-高強、高強-高強;斷裂功從小到大是:普通-普通、普通-高強、高強-高強，速干膠水固定的絲樣介于“普通-高強”和“高強-高強”之間。從各處理的變動系數看，初始模量的變動系數最小均在0.1以下。由于4種處理，除固定方法外的其他條件完全相同，這些差異是因為絲的固定材料不同造成的。

進一步觀察4種絲樣固定方式下的應力-應變曲線，發現它們間存在明顯的不同(圖1)。從圖1可見，使用了普通強度雙面膠固定的兩種處理，應力到達最大點后緩慢下降直到變為0。在試驗過程中觀察到這兩種處理的絲樣并未斷裂，而是從固定用的紙框上滑落。兩端均使用強力雙面膠或速干膠水固定的絲樣在強力達到最大時斷裂，最大點強度等于斷裂強度。但是，這兩種處理間的斷裂強度、斷裂伸長率并不相同。強力雙面膠固定的絲樣最大點強度較小，但伸長率大。推測在拉伸過程中，樣品雖然沒有脫落，但在固定紙框上發生了一定程度的滑動?；瑒釉谇€上表現為虛假的伸長，導致了計算得到的初期彈性率下降。速干膠水固定的樣品沒有虛假的伸長，所以伸長率最小、初期彈性率最大，是最接近絲樣真實數據的結果。

圖1 不同粘貼方法的生絲樣品的拉伸應力-應變曲線Fig.1 Stress and strain curves of raw silk samples with different sticking methods

2.2 不同絲樣長度下定速拉伸的試驗結果

定速拉伸速度為20 mm/min的條件下，絲樣長度分別為20、40、60、80 mm和100 mm時的試驗結果如表2所示。試驗的絲樣用速干膠水固定。

表2 定速拉伸速度為20 mm/min時不同絲樣長度的拉伸試驗結果Tab.2 The tensile test results of silk samples with different lengths at constant tensile speed of 20 mm/min

從表2可以看出，絲樣長度不同時，斷裂強度、斷裂伸長率、初始模量存大較大差異。除個別處理(絲樣長20 mm)外，拉伸強度和伸長率隨試驗絲樣長度的增大而下降。初始模量變化不大。關于斷裂功，換算為單位體積(m3)絲樣的斷裂功，20、40、60、80 mm 和 100 mm 絲樣分別為:5.67E+12、7.79E+12、4.31E+12、3.95E+12、3.37E+12 cN·mm，不同絲樣長度的變化趨勢與強度類似，變化范圍(3.37～7.79)E+12 cN·mm，開差較大。4種測定值的變動系數中，初始模量的變動系數最小均在0.05以下，強度的變動系數次之為0.04～0.06。斷裂功的變動系數最大達到0.49。

通常纖維上會存在一些相對較細或弱的區域，進行拉伸試驗時，樣品會在這些較弱區域發生斷裂。家蠶繭絲是一種天然蛋白質纖維，弱點區域粗細不等、分布不均。生絲由數根繭絲依靠簡單的加捻和絲膠的黏合作用粘在一起的。拉伸試驗的樣品生絲上的弱點區域的多少和強弱、加捻的均勻度，絲膠粘合的情況等，都會影響試驗結果。本次測得的斷裂強度和斷裂伸長率隨絲樣長度增加而下降，可能是由于較長的絲樣上，包括更多的弱點區域、長絲上的加捻狀況和絲膠粘合情況更為復雜所至。

纖維的應力-應變關系會隨著外力作用的時間變化而變化。周穎等［5］報告在單絲拉伸試驗中，拉伸速度越高測得的強度越大。本次的生絲拉伸試驗中也觀察到同樣的現象。20 mm/min的絕對拉伸速度，對于20 mm長的絲樣來說每分鐘拉伸了100%，而對于100 mm長的絲樣來說是每分鐘僅拉伸20%。這是強度和伸度測定值隨絲樣長度增加而減小的另一個可能原因。

2.3 不同絲樣長度下固定相對拉伸速率的試驗結果

在不同的絲樣長度下，固定相對拉伸速率為每分鐘 100%，即夾持長度為 20、40、60、80 mm 和100 mm時，分別采用20、40、60、80、100 mm/min 進行拉伸試驗，各處理的拉伸結果如表3所示。

表3 固定相對拉伸速度為100%/min時不同絲樣長度的拉伸試驗結果Tab.3 The tensile test results of silk samples with different lengths at constant tensile speed of 100%/min

從表3可以看到，在固定相對拉伸速度時，不同絲樣長度間的強度、伸長率、初始模量雖然仍有不同，但是變化幅度很小，遠低于固定絕對速度時的變化，而且變動趨勢不明顯。4個參數中，仍以初始模量的變動系數最小，在0.11以下。單位體積(m3)樣品的斷裂功，20、40、60、80 mm 和100 mm 絲樣分別為:5.80E+12、6.42E+12、5.77E+12、5.14E+12、和4.90E+12 cN·mm，變化范圍(4.90 ～5.77)E+12 cN·mm差異小于定速拉伸時的差異。通過固定相對拉伸速度，可以減小樣品長度不同時對試驗結果的影響。

3 結論

1)本次試驗用3種不同的粘貼材料(普通雙面膠、強力雙面膠和速干膠水)以4種不同的方式將絲樣固定在紙框上進行拉伸試驗。發現不同的粘貼方式得到不相同的試驗結果。不牢固的粘貼方式下絲樣滑動，測得的數據不準確，強度、初始模量偏低，伸長率和斷裂功或大或小。本次使用的3種材料中，速干膠固定的結果最可靠。

2)當試驗絲樣長度增加時，測得的初始模量變化不大，強度和伸長率下降。推測強度和伸長率的下降是因為較長的絲樣中包括較多的弱點區域。拉伸速度是影響試驗結果的另一個重要因素。當按絲樣長度增加比例提高拉伸試驗速度時，不同的絲樣長度間的斷裂強度、斷裂伸長率、初始模量的差異減小。在4種評價指標中，初始模量的變動系數最小，數據波動最小。

［1］黃君霆，朱萬民，夏建國，等.中國蠶絲大全［M］.成都:四川科學技術出版社，1995:711-712.HUANG Junting，ZHU Wanmin，XIA Jianguo，et al.Complete Works of Sericultural Technology in China［M］.Chengdu:Sichuan Publishing House of Science ＆ Technology，1995:711-712.

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［3］張袁松，趙天福，趙愛春，等.轉基因家蠶生產含蜘蛛絲蛋白的新型復合繭絲纖維［J］.紡織學報，2012，33(5):1-5.ZHANG Yuansong，ZHAO Tianfu，ZHAO Aichun，et al.New silk fiber composite containing spider dragline silk protein and produced by transgenic silkworm［J］.Journal of Textile Research，2012，33(5):1-5.

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［5］周穎，許建梅.生絲單絲強度、伸長率與拉伸速度相關性分析［J］.絲綢，2010(6):20-22.ZHOU Ying，XU Jianmei.Relevent analysis on single-silk intensity，elongation and drawing speed of raw silk［J］.Journal of Silk，2010(6):20-22.