蒸煮、調整時間對繭層增重的影響及新型煮繭機的改良

王曉飛， 胡征宇

(蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021)

研究與技術

蒸煮、調整時間對繭層增重的影響及新型煮繭機的改良

王曉飛， 胡征宇

(蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021)

煮繭是制絲工藝中的關鍵步驟。從煮繭過程中絲膠膨潤原理出發，探究煮繭工藝過程中蒸煮時間、調整時間和繭子是否翻面對繭層增重及均勻性的影響。實驗結果表明：蒸煮時間為1～2 min時，繭層膨潤達到最大；調整時間為40 s時，繭層水增量最大而蛹體水增量最小。在蒸煮過程中，將蠶繭翻面蒸煮將有利于繭層均勻吐水，使得繭層煮熟程度均勻一致。根據實驗結果改良制備了新型煮繭機，并對研制的新型煮繭機進行實地評測，結果表明新型煮繭工藝對繅絲成績有明顯提高。

煮繭機； 吐水； 膨潤； 繭層水增量

煮繭是制絲工藝中的關鍵步驟，煮熟繭的繭質與繅絲產量、質量、繅折等都息息相關。為了滿足現代自動繅絲的需求，煮熟繭必須達到下列要求：1)解舒良好，緒絲少；2)煮熟程度適當，減少颣節，提高生絲潔凈度；3)防止產生癟繭[1]。煮繭過程中伴隨著絲膠由干膠到溶膠再到凝膠的轉變，因此改變工藝控制絲膠最佳膨潤狀態是煮繭關鍵所在[2]。而傳統的煮繭工藝中存在缺陷，導致重滲透、高溫偏熟、程度不均，從而影響繭質[3-5]。為了改善上述存在的問題，從絲膠膨潤、溶失理論出發，研制新型煮繭機，合理配置各部段工藝，達到了繭絲解舒率提高，絲膠膨潤充分，減少絲故障數，提高潔凈的作用。

1 實 驗

1.1 材料及儀器

材料：蠶繭(廣西桂合靈山廠)，紅墨水，膠棉液(化學純，上海燙金材料廠)。

儀器：真空滲透缸(自組裝)，ALC系列電子天平(北京賽多利斯科學儀器有限公司)，HH-420系列恒溫水浴鍋(上海一科儀器制造有限公司)，DHG-9076A型恒溫烘箱(上海精紅試驗設備有限公司)，溫度計，老式煮繭機(廣西靈山廠在用的104籠煮繭機)，新煮繭機(自行研發的98籠?+V型煮繭機)。

1.2 方 法

煮繭是在水、熱和助劑的作用下，一定時間后使繭絲外圍絲膠適當膨潤溶解，減弱絲膠粒子間結合力，使其膠著力降低，膠著不勻改善，便于繅絲時繭絲能被連續、依次、快速地離解，并集束抱合成生絲[1]。煮繭包括滲透、蒸煮、調整三大過程，而絲膠的膨潤和溶解主要發生在蒸煮和調整過程[6]，因此本實驗通過對絲膠膨潤過程的研究，確定煮繭過程中最佳蒸煮和調整時間，并證明雙面蒸煮對均勻吐水的影響，然后以此為理論指導制備新型煮繭機。

1)選出50只質量差異較小的蠶繭，剝去繭衣，編號1～50，稱重。750 kPa真空滲透之后，稱重。將滲透好的蠶繭分為五組，待水煮沸后，將蠶繭放入鍋中的蒸屜中，分別蒸煮時間為0、1、2、3 min和4 min。蒸煮完畢后，分別稱重，并將蠶繭剖開，稱其繭層和蛹體質量。將繭層及蛹體置于30 ℃恒溫干燥機中干燥后，稱重。

2)選取50只質量差異較小的蠶繭，真空滲透方法同上，蒸煮2 min。之后將蠶繭分為5組，每組10只。模擬調整部1段，在沸水中分別煮20、40、60、80 s和100 s之后稱重，并且將蠶繭剖開，稱其繭層和蛹體質量。將繭層及蛹體置于30 ℃恒溫干燥機中干燥后，稱重。

3)挑選20只大小一致的蠶繭，用針管注射器向干繭中注入紅墨水，然后用膠棉液黏住孔眼位置。之后分為A、B兩組，A組在蒸煮過程中不翻面，B組在蒸煮過程中翻面，蒸煮結束后，剖開蠶繭觀察現象。

4)新老煮繭機生產成績對比主要指標有煮熟繭繅絲對應繅絲機車速、萬米颣吊、潔凈等。

2 結果與分析

2.1 蒸煮時間對繭層增重的影響

高分子物質與適當的液體接觸時，會自動地吸收液體而膨脹變軟，這個過程稱為膨潤。膨潤分有限膨潤和無限膨潤。絲膠是一種高分子物質，它在熱水中可以通過無限膨潤至溶解。煮繭過程中，絲膠得到充分的膨潤，有利于繭絲順次離解，減少颣節；而膨潤過度造成絲膠溶失，影響生絲繅折同時易產生大颣，繼而造成繅絲故障。因此，使絲膠充分膨潤同時盡量減少溶失，是煮繭的關鍵。

圖1為蠶繭各變量隨蒸煮時間的變化情況。其中，吐水量=滲透后全繭的質量-蒸煮后全繭的質量；蛹體水增量=蒸煮后蛹體質量-干蛹質量；繭層水增量=蒸煮后繭層的質量-繭層干重；繭腔剩余水量=滲透后全繭的質量-蒸煮后繭層質量-吐水量-蒸煮后蛹體質量。

圖1 蠶繭各變量隨蒸煮時間的變化Fig.1 Changes of each variable of cocoon with cooking time

蒸煮中，吐水量的多少是給予繭層水分的多少，要使繭層絲膠膨潤，必須給予一定量的水，給水的同時絲膠也產生溶失[7]。因此，為使繭層絲膠膨潤達到最大值，必須研究繭層水增量。繭層水增量是蒸煮后繭層的質量與繭層干重的差值(為了減少誤差，干重是烘干后繭層的質量乘以(100+11)%，此處的11%是生絲的公定回潮率)，值越大表示絲膠膨潤越充分。從圖1可以看出，蠶繭在蒸煮2 min后吐水量達到最大，雖然3 min時吐水量也很大，然而3 min吐的水是包含2 min時吐的水在內的；繭層膨潤在2 min時達到最大。3 min的繭腔剩余水量比2 min少，但是繭層水增量卻減小，說明3 min的繭腔剩余水量不能再使絲膠膨潤，相反，會帶走溶失的絲膠。因此，2 min前的吐水量在使絲膠膨潤增大中起主導作用，2 min后雖然也有膨潤但絲膠溶失起主導作用，故最佳蒸煮時間在1～2 min。

2.2 調整時間對繭層增重的影響

煮繭過程中，絲膠溶失主要在調整部，特別是調整部1段入口高溫區域。絲膠溶失多少，不僅影響繅折，而且和解舒、繅絲故障、索緒效率、潔凈成績等有關。因此，蠶繭經過調整部1段的時間在煮繭機設計中至關重要。膠體膨潤如下式所示：

ds/dt=K膨(Smax-S)

式中：K膨為膨潤系數，Smax為最大膨潤度，S為瞬時膨潤度。

影響膨潤系數的三大外因是溶劑、溫度、pH值[1]。由此可知pH值對絲膠的膨潤溶解影響很大，在絲膠等電點時，膨潤和溶解度影響最小。煮繭過程中，隨著水分進入繭腔，蛹體吸水產生蛹酸，從而改變繭層內部pH值，使繭層內外膨潤不均一，影響繭絲質量。因此，既要保證繭層膨潤充分又要減少蛹酸浸出。

圖2為繭層水增重和蛹體水增重隨調整時間的變化情況。其中，繭層水增重=煮后繭層質量―繭層干重，蛹體水增重=蒸煮后蛹體質量―干蛹質量。從圖2可以看到，在0～40 s時，繭層在沸水中有限膨潤，繭層增重，之后外層絲膠部分溶失，繭層增重減小；40 s時蛹體吸水量還很少，隨煮繭時間增加，蛹體吸水，這時有可能有蛹酸浸出。此外煮了40 s的蠶繭的繭層水增重最大，根據絲膠的膨潤特性，一般絲膠50 ℃開始膨潤，70 ℃開始溶解，90 ℃絲膠急劇溶解。層絲膠溶失率的多少對生絲質量及原料消耗有著雙重效應。絲膠溶失過多，則會增大繅折；絲膠溶失過少，則繭的煮熟程度較小。從經濟角度來考慮，40 s時絲膠溶失較100 s小，因此40 s為最佳調整部配置時間。

2.3 蠶繭吐水均勻性實驗

因為“水往低處流”，傳統煮繭過程中總是下半顆繭先吐水，進而導致繭子煮熟不均，影響繅絲質量。為了能使繭子在蒸煮過程中吐水均勻，實驗設計翻面蒸煮的方式，觀察對煮繭吐水的影響。

圖3為不同蒸煮方式對吐水影響的圖片(a、b、c、d、e分別為不同吐水時間的繭外觀狀態，下標1

圖2 繭層水增重和蛹體水增重隨調整時間的變化Fig.2 Changes of water increment in cocoon shelland pupae with adjustment time

為蒸煮過程中不翻面，下標2為蒸煮過程中翻面)。由圖3可知，在蒸煮過程中不翻面，吐水是從蠶繭下半部分開始的，下半顆蠶繭吐水完全時，其上半部分沒有發生吐水現象。這說明在以往煮繭過程中，繭子不能被均勻煮熟：當煮繭偏生時，蠶繭下層由于吐水已經煮熟，上層未接觸水，其膠著過重，繅絲易產生環颣，潔凈成績下降；如果加大吐水量，用蒸汽煮熟上半顆繭，則下半顆繭過熟，繅絲不能依次解離，影響潔凈和運轉率，所以現有的煮繭機使自動繅絲質量受到很大制約。

從圖3還可以看到，翻面蒸煮吐水結束繭層都成紅色，說明水分子已經到達絲膠各個膠著點，為絲膠膨潤打下良好基礎。

2.4 新老煮繭機的生產成績對比

2.4.1 新老煮繭機結構差異

表1為新型煮繭機與老式煮繭機結構配置的比

圖3 不同蒸煮方式對吐水的影響Fig.3 Influence of different cooking methods on guttation

較。根據蠶繭吐水均勻性實驗結果得知，因為水往低處走，老式煮繭機的蒸煮部位于煮繭機的下槽位置，蠶繭只是下半部能夠有水分子經過，為了使蒸煮均勻性得到提高，必須使得繭子通過繭籠的反轉達到兩面都過水。而新型煮繭機采用上下蒸煮區的方法，吐水均勻性大幅度得到提高。筆者發現目前有些工廠經過改進，使老式煮繭機的蒸煮部上槽與下槽連通，形成一個封閉的回路使得繭籠運行在上槽時也能接觸到下槽逸散的水蒸氣，起到預煮的目的，然而比起新型煮繭機的繭質，改進后的煮繭機在繭層煮熟均勻度、萬米吊糙、潔凈、生產效率等方面仍然不如新型煮繭機。新型煮繭機采用了盲管，加大了水蒸氣中的焓，使繭內層能夠煮熟。

表1 新型煮繭機與老式煮繭機結構配置的比較Tab.1 Comparison of structure configuration of new cocoon cooking machine and old one

老式煮繭機中，蒸煮室長度只有2～3 m，繭子經蒸煮室時間短，蒸煮時間基本只有1 min以內。根據上文對影響絲膠膨潤度實驗的研究表明，煮繭時間在1～2 min較為合適，調整時間在40 s為最佳。為此，新型煮繭機設備配置中，蒸煮室長度增加至6 m(上下槽各3 m),蒸煮室繭籠占整個繭籠的20%以上，根據原料特點煮繭時間可以調節為8～18 min，則滿足在蒸煮室1～2 min的要求。老式煮繭機的調整部溫差僅為20 ℃以內，而絲膠在50 ℃開始膨潤，70 ℃開始溶解，因此只有溫差達到20 ℃以上才能同時完成膨潤與凝固[8]，采用V型設計就是利用高溫水在上層，低溫水在下層的原理，使V型煮繭機調整部溫差可以達到30 ℃以上，最多可達50 ℃，滿足調整要求。

2.4.2 實測結果

表2和表3分別為新式煮繭機和改進后的老式煮繭機工藝下繅絲生產數據。

表2 新式煮繭機工藝下繅絲生產數據Tab.2 Production data of silk reeling under the process of new cocoon cooking machine

表3 改進后的老式煮繭機工藝下繅絲生產數據Tab.3 Production data of silk reeling under the process of improved old cocoon cooking machine

在相同原料的情況下，不同的煮繭機煮出來的繭子的質量是有明顯差異，而煮后繭子的質量好壞比較直觀的是絲故障數、繅絲機車速的配置和運轉率。由表2、表3對比可以看出，新式煮繭機工藝的絲故障數和萬米颣吊明顯減少，分析原因為新式煮繭機工藝繭層絲膠膨潤度高且均勻化，使繅絲過程中繭絲能順利解離，從而減少絲故障數和萬米颣吊，同時繅絲車運轉率提高，車速也相應提高，可以保證更高的臺時產量。

潔凈成績目前是高品位(5A-6A)生絲定等因素中的最主要因素[9]，影響潔凈的因素眾多，如蠶的品種等，但最新研究發現，煮繭工藝是能夠大幅度影響潔凈成績的。在繅絲工程中，繭絲颣節的形成存在兩大原因，一是繭絲膠著點的離解阻力(剝離抵抗)存在差異，二是蠶繭的解舒介入了解舒抵抗的慣性導致，制絲技術中注重上述兩點成因，在膨潤不足的狀態下，小颣等增多，是因為殘留著剝離抵抗大于解舒強力的膠著點。在膨潤過度的情況下發生較多的綿條颣，是因為產生離解阻力較小的膠著點，用小于平均解舒強力的力就能離解的緣故，如果能確保離解阻力和解舒強力均衡，那么不管絲膠的膨化大小如何，都不可能發生颣節。破壞這一均衡的很大原因是離解阻力不均勻，在慣性狀態下進行繅絲離解[10]。筆者在工廠實測中，嘗試調整各部段蒸汽溫度及運轉車速，以求使繭層膨潤均衡。從表4可以看出相同的原料繭經過工藝調整之后新型煮繭機煮熟繭繅絲潔凈分數明顯優于老式煮繭機，而且變化量比較大，相當于提高了1～2個等級。

表4 新老煮繭機工藝繅絲潔凈成績對比Tab.4 Comparison of cleanness performance of silk reeling withthe process of new and old cocoon cooking machines

綜合對比可以看出，新型煮繭機在性能上比老式煮繭機要優越，對繅絲成績有明顯提高。

3 結 語

1)新型煮繭機?型蒸煮室為吐水均勻和煮熟均勻提供了保證，蒸煮室長度的改變直接影響到蠶繭蒸煮時間的長短，從而影響繭腔吐水量與繭層的膨潤度(繭層水增量)。蠶繭在蒸煮室的最佳時間為1～2 min。

2)調整段水煮時間直接影響繭層水增量與蛹體水增量，一般調整高溫區在40 s以下比較合理，時間短能夠保護外層絲膠溶失，同時減少蛹酸浸出。

3)通過實測對比新老煮繭機性能發現，研制的新型煮繭工藝繅絲車速明顯提高，萬米颣吊較少且潔凈成績提高幅度較大。

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Effect of Cooking/Adjustment Time on Weight Increment of Cocoon Shell and Improvement of New Cocoon Cooking Machine

WANG Xiaofei, HU Zhengyu

(College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China)

Cocoon cooking is a key step in silk making process. Under the principle of sericin swelling in cocoon cooking process, this experiment explores the influence of cooking time, adjustment time and turnover of cocoon in cocoon cooking process on weight increment and uniformity of cocoon shell. The experimental result shows that swelling of cocoon shell maximizes when cooking time is 1～2 min; when adjustment time is 40 s, water increment in cocoon shell maximizes and that in pupae minimizes. Reverse cooking of silkworm cocoon will be conducive to uniform guttation of cocoon shell, thus realizing uniform doneness of cocoon shell. This paper improves and makes new cocoon cooking machine according to the experimental result and conducts field measurement on the new cocoon cooking machine made. The result shows that new cocoon cooking process can obviously improve silk reeling performance.

cocoon cooking machine; guttation; swelling; water increment in cocoon shell

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.04.004

2014-08-24;

2014-12-17

王曉飛(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為紡織工程。

胡征宇，副教授，hzywz2005@163.com。

TS143.222

A

1001-7003(2015)04-0014-05 引用頁碼: 041106