天然柞蠶繭基本性能研究

肖信香，余博文，朱文清，李建強(qiáng)*

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天然柞蠶繭基本性能研究

肖信香1, 2，余博文1，朱文清2，李建強(qiáng)1*

（1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430073；2. 湖北楓樹線業(yè)有限公司，湖北 鄂州 436000)

對(duì)天然柞蠶繭殼進(jìn)行SEM觀察，進(jìn)行基本規(guī)格檢驗(yàn)、力學(xué)性能以及透氣性等研究。結(jié)果表明：柞蠶繭殼外表面的蠶絲無(wú)規(guī)律地松散糾纏在一起，內(nèi)表面結(jié)構(gòu)緊密、平整光滑；柞蠶繭的厚度僅為0.39 mm，克重能達(dá)到304.6 g/cm2；具有良好的力學(xué)性能、較低的透氣率和良好的溫度穩(wěn)定性。

柞蠶繭；螺旋取樣；力學(xué)性能；透氣性

1 前言

中國(guó)是柞蠶的起源地，也是世界上最大的柞蠶生產(chǎn)地，盡管商業(yè)柞蠶的年產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到數(shù)萬(wàn)噸，然而對(duì)它的研究卻不多。早期的研究主要集中在柞蠶的養(yǎng)殖，柞蠶絲的結(jié)構(gòu)、性能及其應(yīng)用等方面。研究表明柞蠶絲主要成分為絲素蛋白和絲膠蛋白，其中絲素蛋白約占蛋白總量的80%左右，絲素含有人體必需的18種氨基酸；由于蠶絲蛋白具有保濕、抗氧化和抗衰老等優(yōu)良性能，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于保健食品、化妝品以及生物醫(yī)藥等非紡織領(lǐng)域，并取得了很大的研究成果[1-3]。邵正中，付誠(chéng)杰等通過(guò)強(qiáng)迫拉絲方法從野生柞蠶紡器中獲得幾乎沒(méi)有宏觀缺陷的柞蠶絲，進(jìn)而對(duì)柞蠶絲的力學(xué)性能進(jìn)行了深入的研究。通過(guò)濕態(tài)拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)拉柞蠶絲的超收縮現(xiàn)象，以及不同溫濕度下各種力學(xué)性能的變化趨勢(shì)等[4-5]。王訓(xùn)該教授等對(duì)柞蠶繭微觀結(jié)構(gòu)及物理、化學(xué)性能和相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)：絲膠由繭層內(nèi)到外逐漸增加，絲膠通過(guò)吸收紫外光有效地防止了紫外輻射和蠶絲的光降解；野生蠶繭具有堅(jiān)固復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)的斷裂強(qiáng)力，繭層之間的附著力大；從導(dǎo)熱、阻熱、散熱、吸熱等方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明：相對(duì)家養(yǎng)蠶繭，野生蠶繭的溫度緩沖能力更強(qiáng)；沉積在蠶繭表面的草酸鈣晶體雖然不能提高繭層之間的附著力卻有利于蠶繭硬度的提高，有利于對(duì)紫外C的吸收，同時(shí)通過(guò)將靜止空氣阻擋在繭殼內(nèi)從而提高其熱穩(wěn)定性[6-8]。

目前，對(duì)柞蠶繭的研究很少，特別是對(duì)柞蠶繭力學(xué)性能的研究基本沒(méi)有。柞蠶繭是一種經(jīng)過(guò)幾千年自然選擇而形成的天然非織造材料，雖然輕薄卻可以保護(hù)蠶免受自然界的各種侵害，為蠶的新陳代謝提供良好的環(huán)境。因此，對(duì)柞蠶繭進(jìn)行規(guī)格和各種性能的研究有利于增加對(duì)柞蠶繭的認(rèn)識(shí)，擴(kuò)寬蠶繭的應(yīng)用領(lǐng)域，為柞蠶繭的研究提供一定的參考。

2 實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)原料為遼寧地區(qū)的天然柞蠶繭。

2.2 柞蠶繭電子掃描

在飛納掃描電鏡（型號(hào):Phenom-World pro）下面，通過(guò)不同放大倍數(shù)觀察柞蠶繭的微觀結(jié)構(gòu)。

外表面有很多不規(guī)則的塊狀物體。研究表明這種塊狀物是草酸鈣晶體，它的存在對(duì)于蠶繭具有重要的意義，不僅有利于蠶繭硬度的提高和對(duì)紫外C的吸收，而且能通過(guò)將靜止空氣阻擋在繭殼內(nèi)從而提高其熱穩(wěn)定性[6-8]。

如圖1所示：柞蠶繭殼外表面的蠶絲無(wú)規(guī)律的互相糾纏在一起，有扭轉(zhuǎn)、翻折以及穿插等各種形式，結(jié)構(gòu)比較松散；每一根柞蠶絲都是由兩個(gè)平行排列的單絲通過(guò)絲膠抱合而形成，其直徑約為50μm；外表面草酸鈣晶體，分布不均勻且尺寸不穩(wěn)定，邊長(zhǎng)在2μm左右。通過(guò)圖2發(fā)現(xiàn)：柞蠶繭內(nèi)表面結(jié)構(gòu)緊密、平整光滑；蠶絲通過(guò)“Y”型、“十字”型以及各種不同角度的交叉編織在一起；草酸鈣晶體數(shù)量明顯少于外表面。

圖1 蠶繭外表面形態(tài)

圖2 蠶繭內(nèi)表面形態(tài)

2.3 單絲物理性能

在溫度為20 ℃，濕度為65 %的恒溫恒濕環(huán)境中，利用Textechno H.Stein生產(chǎn)的萬(wàn)能型全自動(dòng)單纖物性分析儀對(duì)柞蠶繭表面浮絲進(jìn)行測(cè)試，預(yù)加張力為0.50 cN.tex-1。分別從10個(gè)不同蠶繭上取樣。

表1 柞蠶單纖物性分析結(jié)果

通過(guò)表1對(duì)比發(fā)現(xiàn)：柞蠶絲與家蠶絲強(qiáng)度相當(dāng)，但柞蠶絲細(xì)度為7.77dex，相對(duì)家蠶的較粗從而導(dǎo)致柞蠶絲斷裂強(qiáng)力相對(duì)家蠶絲也較高。從測(cè)試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差可以發(fā)現(xiàn)野生柞蠶絲粗細(xì)不均勻且各項(xiàng)性能穩(wěn)定性差，這主要是野生柞蠶繭生存環(huán)境復(fù)雜導(dǎo)致的。

2.4 柞蠶繭的性能

2.4.1 取樣方式

蠶繭體積較小，呈橢圓形，長(zhǎng)軸約為47.21±30.27mm，短軸約為24.55±0.28 mm[8]。因此在進(jìn)行式樣規(guī)格、物理機(jī)械性能測(cè)試時(shí)應(yīng)注意取樣方式。本文采用一種特殊的螺旋法取樣。

在柞蠶繭表面用黑色簽字筆按照寬度為1 cm，螺旋升級(jí)為200畫出裁剪路線圖。此種方法有效地利用了柞蠶繭自身的立體形狀，可以使所取式樣長(zhǎng)度達(dá)到10 cm以上，方便后續(xù)的測(cè)試以及對(duì)于產(chǎn)品的開發(fā)利用。

2.4.2 柞蠶繭基本規(guī)格

將螺旋法取得的柞蠶繭條樣在熱壓機(jī)下定型。熱壓機(jī)型號(hào)為R-3202，溫度為40℃，壓力為30Mpa，時(shí)間30min。

用電子游標(biāo)卡尺測(cè)試其厚度。同一個(gè)樣品測(cè)試5次，隨機(jī)測(cè)試10個(gè)樣品，取其平均值。

測(cè)試柞蠶繭克重。隨機(jī)取10個(gè)定型處理后的條樣，裁剪為面積為1 cm2的塊狀蠶繭，稱重從而得到其克重。

表2 蠶繭基本規(guī)格

柞蠶繭的厚度僅為0.39 mm，克重卻能達(dá)到304.6 g/m2，進(jìn)一步證明柞蠶繭結(jié)構(gòu)緊密，具有良好的防護(hù)作用。

2.4.3 柞蠶繭殼機(jī)械性能

（1）利用萬(wàn)能強(qiáng)力儀H10KL對(duì)螺旋法取樣的式樣（寬度為1 cm，厚度為0.039 cm)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，夾持距離為50.00 mm，拉伸速度2.000 mm/min。

圖3 螺旋取樣法示意圖

圖4為條狀柞蠶繭拉伸曲線，與纖維的拉伸曲線一樣呈現(xiàn)出三個(gè)區(qū)域即：虎克區(qū)，屈服區(qū)和斷裂區(qū)。其中平均斷裂強(qiáng)力為283.8 N，CV值為11.26 %。平均伸長(zhǎng)率為35.32 %，CV值為9.917 %。

圖4 帶狀柞蠶繭拉伸曲線

（2）利用YG065H型織物頂破強(qiáng)力儀對(duì)蠶繭進(jìn)行頂破性能測(cè)試。

表3 柞蠶繭頂破性能

柞蠶繭頂破強(qiáng)力和壓力都達(dá)到800 N以上，頂破位移不到4 mm，短時(shí)間能吸收高能量，局部有較高的能量吸收能力。

2.4.4 柞蠶繭殼透氣性能

蠶繭通過(guò)繭殼控制里面的靜止空氣來(lái)達(dá)到良好的溫度穩(wěn)定性，纖維表面的草酸鈣晶體也影響著其控制能力。透氣性也在一定程度上反應(yīng)了其靜止空氣控制能力。

利用YG（B)461D型數(shù)字式織物透氣量?jī)x進(jìn)行測(cè)試。由于蠶繭特殊的橢球空間結(jié)構(gòu)，因此其透氣性的測(cè)試不同于傳統(tǒng)的織物的測(cè)試方法，在不改變蠶繭原有的形態(tài)下，采用如圖5所示的三種方式進(jìn)行測(cè)試，每種測(cè)試形式隨機(jī)選取10個(gè)樣品，測(cè)試面積設(shè)置面積為5 cm2，壓差為100 MPa。

①②③

圖5中①為螺旋取樣后剩下的一端，②是①號(hào)的反面，③為一端開口的自然態(tài)柞蠶繭。由于蠶繭表面特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致表面不光滑且自身有一定剛度，因此密封性能差。實(shí)驗(yàn)時(shí)在柞蠶繭與試樣直徑定值圈接觸的外表面粘貼雙面膠，起到固定和密封的作用。測(cè)試結(jié)果如圖6。

圖6 柞蠶繭透氣率

圖6中①，②種形式下測(cè)試結(jié)果很接近；③相對(duì)①，②透氣率略微增加。這主要是由于③狀態(tài)下體積增大，導(dǎo)致展開面積比較大，出現(xiàn)薄弱片的概率增加；另外由于其形狀不規(guī)則導(dǎo)致投射到測(cè)試平面的實(shí)際測(cè)試面積有可能超過(guò)5 cm2；兩個(gè)原因共同造成測(cè)試數(shù)據(jù)略微增大。在一定范圍內(nèi)，非織造材料的透氣性越小，保暖性越好。柞蠶繭透氣率約為45mm/s左右，從側(cè)面反映了它良好的溫度穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

（1）利用掃描電鏡的不同放大倍數(shù)對(duì)柞蠶繭的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)：柞蠶繭由外到內(nèi)結(jié)構(gòu)逐漸緊密，蠶絲之間的糾纏交織方式多樣化。

（2）對(duì)柞蠶繭進(jìn)行拉伸、頂破測(cè)試。帶狀柞蠶繭強(qiáng)力為283.8 N，頂破強(qiáng)力達(dá)到825.2N，表明柞蠶繭具有良好的力學(xué)性能。

（3）在不改變蠶繭原有的形態(tài)下，測(cè)試柞蠶繭透氣性，其透氣率僅為45 mm/s左右，具有良好的溫度穩(wěn)定性。

綜上所述，天然柞蠶繭具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，良好的物理性能、溫度控制性能；本文進(jìn)行柞蠶繭的相關(guān)性質(zhì)、理論的探究，利用其優(yōu)良性能并開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品具有重要意義。如帶狀柞蠶繭與一些高性能纖維進(jìn)行編織，形成一種天然非織物與機(jī)織結(jié)合的產(chǎn)品，有利于擴(kuò)寬蠶繭的應(yīng)用領(lǐng)域。

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Study of the Basic Performance of Natural A.pernyi Cocoon

XIAO Xin-xiang1, 2, YU Bo-wen1, ZHU Wen-qing2, LI Jian-qiang1*

(1. Department of Textiles Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China; 2.HuBei FengShu Thread Manufacturing Company Limited, EZhou HuBei 436000, China)

This paper researches natural A.pernyi cocoon, such as electron microscope, the basic specification test, mechanical properties and gas permeability experiment, etc. The results show that the outer surface silk intertwined together, irregular and loosely; the inside surface structure of A.pernyi cocoon is tight and smooth; thickness of A.pernyi cocoon is only 0.39 mm, the weight is able to reach 304.6 g/cm2; it has high mechanical properties and temperature stability.

A.pernyi cocoon; spiral sampling; mechanical properties; permeability

TS143.22

A

2095－414X(2015)03－0005－05

李建強(qiáng)（1964-），男，教授，研究方向：紡織材料與紡織品設(shè)計(jì).