不同烘繭溫度對(duì)繭絲品質(zhì)的影響

呂振飛 邢秋明 孫再俊 江文斌

摘要：采用熱風(fēng)循環(huán)烘繭機(jī)對(duì)蠶繭進(jìn)行干燥，探討了不同頭沖溫度對(duì)生絲力學(xué)性能和絲膠結(jié)構(gòu)的影響。通過一粒繅、力學(xué)性能測(cè)試、熱重分析和紅外光譜法分別對(duì)不同頭沖溫度處理后繅制生絲的力學(xué)性能、落緒分布和絲膠結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并用視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x觀察了繭層的親水性。研究表明，鮮繭經(jīng)過高溫干燥后繭層絲膠會(huì)產(chǎn)生熱變性，理化性能發(fā)生改變，繭層絲膠的分子結(jié)構(gòu)從無(wú)規(guī)卷曲向β—折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。當(dāng)頭沖溫度為105 ℃時(shí)，生絲力學(xué)性能最好，潔凈成績(jī)最高，且熱穩(wěn)定性最好。

關(guān)鍵詞：頭沖溫度;落緒分布;生絲;力學(xué)性能;絲膠變性

中圖分類號(hào)：TS143.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2019）01-0011-04

在制絲工業(yè)中，烘繭是一道很重要的工序。烘繭的目的是烘殺蠶蛹和寄生的蠅蛆，同時(shí)除去鮮繭中所含的水分，使其能長(zhǎng)期貯藏。在烘繭過程中，既要不損傷繭質(zhì)，又要使絲膠適當(dāng)變性，利于繅絲，提高生絲品位[1]。陳建勇等[2]、傅雅琴等[3]利用熱蒸汽干燥蠶繭，認(rèn)為烘繭能增加外層絲膠的煮繭時(shí)抵抗力，提高出絲率和潔凈成績(jī)。在實(shí)際烘繭過程中，通常分為頭沖和二沖兩個(gè)階段。頭沖階段就是干燥過程中的預(yù)熱與等速干燥階段，二沖階段就是減速干燥階段，即半干繭進(jìn)灶至達(dá)到適干標(biāo)準(zhǔn)時(shí)為止。影響蠶繭干燥的主要工藝因素有溫度、濕度、風(fēng)速和鋪繭量等。陳錦祥等[4]認(rèn)為在生產(chǎn)實(shí)踐中干燥工藝的主要控制對(duì)象是溫度，它不僅是影響干燥能力的主要因素，也是影響繭質(zhì)的首因。陳時(shí)若等[5]通過試驗(yàn)表明，在中國(guó)沿用的二次干燥工藝中，對(duì)解舒率的影響，以頭沖的溫度占首位，二沖的溫度次之，并研究了空氣溫濕度與解舒率、出絲率之間的關(guān)系，蠶繭的其他指標(biāo)沒有探討。并且，蠶繭經(jīng)干燥后，繭層絲膠作為蛋白質(zhì)受熱后會(huì)產(chǎn)生熱變性，其理化性能將發(fā)生改變。基于此，本文設(shè)置不同的頭沖干燥溫度，探討不同頭沖干燥溫度對(duì)蠶繭落緒分布、生絲力學(xué)性能、生絲熱力學(xué)性能以及生絲基團(tuán)結(jié)構(gòu)等方面的影響。并選擇合適的頭沖干燥溫度，使其滿足于實(shí)際生產(chǎn)需要。

1材料與方法

1.1原料和儀器

供試蠶繭為湖州市朱家兜同一批次的2017年春繭，家蠶品種為秋風(fēng)×白玉及其反交。

實(shí)驗(yàn)室自制熱風(fēng)循環(huán)烘繭機(jī)[6]，HH—S數(shù)顯恒溫水浴鍋（常州翔天實(shí)驗(yàn)儀器廠），JCY—4型視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x（上海方瑞儀器有限公司），YG—731型檢尺器（無(wú)錫市第二紡織機(jī)械廠），PYRIS 1型熱重分析儀（美國(guó)Perkin Elmer公司），Nicolet 5700型傅立葉紅外光譜儀（美國(guó)尼高力公司）。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1蠶繭干燥

5種類型的干燥溫度組合見表1。將同一莊口的春繭在熱風(fēng)循環(huán)烘繭機(jī)中進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)，頭沖和二沖各為2.5 h（頭沖前、后階段各1.25 h），其中a組為鮮繭，不進(jìn)行干燥。

1.2.2繭層接觸角測(cè)試

分別將鮮繭及干燥處理后的蠶繭剖開，除去蠶蛹，取束腰部位，剪成平整的塊狀;將試驗(yàn)用蠶繭分為5組，先于恒溫恒濕（20 ℃±2 ℃，相對(duì)濕度65%±5%）條件下平衡處理24 h;處理后在恒溫恒濕（20 ℃±2 ℃，相對(duì)濕度65%±5%）條件下，用視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試觀察去離子水液滴在繭層表面的形態(tài)變化，記錄液滴與繭層的瞬間接觸角（θ）值。為了減小試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)除去偏差最大和最小的2個(gè)數(shù)據(jù)，再對(duì)其他數(shù)據(jù)取平均值。

1.2.3蠶繭落緒分布測(cè)試

在同一水平下對(duì)蠶繭真空滲透，經(jīng)同一煮繭工藝煮熟后，采用一粒繅測(cè)定方法，測(cè)定時(shí)記錄斷頭次數(shù)及繭層落緒位置，繅至繭子蛹衣位置或斷頭后不能添緒為止，從檢尺器上讀出所搖取的百回?cái)?shù)。每組測(cè)定100粒繭子。

1.2.4生絲力學(xué)性能測(cè)試

采用XL—2型紗線強(qiáng)伸度儀測(cè)量生絲單絲強(qiáng)伸力。拉伸速度為500 mm/min，夾距距離為500 mm，預(yù)加張力為0.05 cN/dtex，測(cè)試次數(shù)為40次。

1.2.5生絲清潔、潔凈及抱合測(cè)試

按照GB/T 1978—2008《生絲試驗(yàn)方法》對(duì)樣絲的清潔、潔凈及抱合進(jìn)行調(diào)查。

1.2.6熱力學(xué)性能測(cè)試

分別稱取生絲樣品1.0～1.5 mg，N2保護(hù)，升溫速率為10 ℃/min，測(cè)試溫度范圍25～500 ℃，測(cè)量生絲的熱穩(wěn)定性能。

1.2.7紅外光譜測(cè)試

用Y172型纖維切片器將所測(cè)樣絲切成粉末，以生絲∶KBr大約1∶100的比例進(jìn)行研磨并混合均勻，壓成透明薄片，采用Nicolet 5700型紅外光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。測(cè)定范圍4 000～400 cm-1。

2結(jié)果與討論

2.1繭層表面的瞬間接觸角變化

由于繭層之間的差異，采取多次重復(fù)試驗(yàn)取平均值的方法記錄數(shù)據(jù)。經(jīng)不同干燥溫度處理后的繭層接觸角值如表2所示，圖1為不同干燥溫度處理后液滴與繭層接觸瞬間的形態(tài)。從表2和圖1可以看出，鮮繭的接觸角值最小（121.02°），且繭層表面與液滴的接觸面最大。其余4組樣品，隨著頭沖溫度的提高，其繭層接觸角值也在不斷增大。首先，繭層表面的蠟質(zhì)物及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會(huì)阻止水分在繭層中的滲透，繭層表現(xiàn)為疏水性;其次，熱風(fēng)烘繭時(shí)繭層受到熱空氣的影響，絲膠蛋白質(zhì)側(cè)鏈基團(tuán)的熱運(yùn)動(dòng)加劇，大量高動(dòng)能的水分子進(jìn)入絲膠分子內(nèi)，破壞氫鍵等次價(jià)鍵，使絲膠非晶區(qū)發(fā)生重排，發(fā)生了變性，有些親水的基團(tuán)反轉(zhuǎn)向內(nèi)，疏水基團(tuán)轉(zhuǎn)向外面，所以使繭層疏水性增加，不易溶于水[7—8]。因此，干繭繭層與液滴的瞬間接觸角值均大于鮮繭，且隨著頭沖干燥溫度的增加，絲膠變性越大，繭層的接觸角值也就越大。

2.2不同頭沖溫度對(duì)蠶繭落緒分布的影響

圖2所示為經(jīng)不同干燥溫度處理后蠶繭的落緒位置分布（每個(gè)水平測(cè)定100粒蠶繭）。從圖2可以看出，鮮繭繭層落緒主要分布在外層和內(nèi)層，這是因?yàn)槔O層絲膠含量由外到內(nèi)呈減少趨勢(shì)，外層絲膠含量大于中層，很容易造成異常膠著和滲透煮繭時(shí)膠著點(diǎn)膨潤(rùn)不均勻，外層斷頭比中層多;內(nèi)層絲膠含量少，且內(nèi)層生絲纖度較細(xì)，到接近蛹襯位置時(shí)極易發(fā)生斷頭，所以造成了鮮繭內(nèi)層落緒最多的現(xiàn)象。此外，從圖2中還可以看出鮮繭繅絲落緒次數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于干繭繅絲。這是由于鮮繭經(jīng)過熱風(fēng)烘繭機(jī)干燥之后，能使繭內(nèi)、外層絲膠均勻變性，在適當(dāng)?shù)闹罄O條件下，絲膠容易膨潤(rùn)溶解，絲膠異常膠著情況減少。當(dāng)頭沖干燥溫度為110 ℃時(shí)，蠶繭的落緒次數(shù)最少，且所有4組經(jīng)干燥后的蠶繭落緒次數(shù)均少于鮮繭。

2.3不同頭沖溫度對(duì)生絲力學(xué)性能的影響

表3為不同干燥溫度對(duì)生絲力學(xué)性能的影響。表3數(shù)據(jù)顯示，鮮繭絲的斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率最低，分別為3.85 cN/dtex和17.13%，明顯低于經(jīng)干燥處理后繅制的生絲。頭沖干燥溫度為105 ℃繅制的生絲斷裂強(qiáng)度最大，為4.22 cN/dtex;變異系數(shù)最小，為2.81%。頭沖溫度為100 ℃繅制的生絲斷裂伸長(zhǎng)率最高，為21.56%，變異系數(shù)為8.43%。由此可見，鮮繭經(jīng)過干燥后繅制的生絲，力學(xué)性能得到明顯提高，生絲質(zhì)量穩(wěn)定性更好。

2.4不同頭沖溫度對(duì)生絲清潔、潔凈及抱合的影響

生絲的抱合、清潔和潔凈指標(biāo)的好壞，直接影響生絲的織造性能，對(duì)高速織機(jī)尤為重要。表4為不同頭沖干燥溫度對(duì)生絲清潔、潔凈及抱合的影響。表4數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)不同頭沖溫度干燥后繅制的生絲，其清潔指標(biāo)與鮮繭絲基本相同，潔凈指標(biāo)有所提高，平均提高0.78分，最多的提高1.40分。經(jīng)干燥處理后繅制的生絲其抱合平均值遠(yuǎn)大于鮮繭絲抱合的平均值。鮮繭絲的潔凈分?jǐn)?shù)低于干繭絲，這是因?yàn)轷r繭不經(jīng)過煮繭工藝直接繅絲，絲膠沒有得到充分膨潤(rùn)，生絲表面環(huán)纇增多。另一方面通過烘繭繭層絲膠發(fā)生變性，繭子的抗煮能力提高，有利于在煮繭、繅絲環(huán)節(jié)采取一定的工藝來減少環(huán)纇。所以鮮繭絲的潔凈分?jǐn)?shù)低于干繭絲[9]。生絲是由幾根繭絲抱合組成的，繭絲通過絲膠粘結(jié)在一起。而對(duì)鮮繭進(jìn)行干燥處理，可以使得繭層絲膠適當(dāng)變性，繭絲之間結(jié)合更緊密，從而大幅提高生絲的抱合性能。

2.5不同頭沖溫度對(duì)生絲熱力學(xué)性能的影響

圖3為經(jīng)不同干燥溫度處理后生絲的熱失重曲線（TGA），可見生絲在整個(gè)升溫過程中都伴隨著質(zhì)量的損失。其中，生絲質(zhì)量開始損失的第一個(gè)階段發(fā)生在25～120 ℃的溫度范圍內(nèi)，這一階段的質(zhì)量損失是由于絲纖維中的水分蒸發(fā)導(dǎo)致[10]。樣絲的質(zhì)量損失主要發(fā)生在280～350 ℃的溫度范圍內(nèi)，此階段樣絲在高溫中熔融分解，從圖3中可以看出鮮繭絲與干繭絲的熱分解過程比較類似。鮮繭絲與干繭絲的質(zhì)量損失峰值溫度如表5所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鮮繭絲的最大質(zhì)量損失速率點(diǎn)溫度略低于干繭絲。此外，經(jīng)不同頭沖溫度處理后繅制的生絲，其最大質(zhì)量損失速率點(diǎn)溫度也略有不同，其中頭沖溫度為105℃繅制的生絲，最大質(zhì)量損失速率點(diǎn)溫度最高，為338.140℃，說明其熱穩(wěn)定性最好。

2.6不同頭沖溫度處理后生絲的紅外光譜分析

圖4為經(jīng)不同干燥溫度處理繅制的生絲與鮮繭絲的紅外光譜圖。圖4顯示，經(jīng)不同干燥溫度處理后的生絲與鮮繭絲的紅外吸收光譜圖基本相似。其特征峰位置均出現(xiàn)在1 230 cm-1（酰胺Ⅲ）、1 520 cm-1酰胺（Ⅱ）、1 650 cm-1（酰胺Ⅰ）、3 420 cm-1（蛋白質(zhì)N—H伸縮振動(dòng)特征峰）附近處[11—12]，但是鮮繭絲的酰胺Ⅴ特征峰位置出現(xiàn)在632 cm-1處，經(jīng)干燥溫度處理后的生絲酰胺Ⅴ特征峰位置出現(xiàn)在668 cm-1處，這表明鮮繭經(jīng)過干燥后，絲膠蛋白發(fā)生變性，繭層絲膠的分子構(gòu)象發(fā)生了從無(wú)規(guī)卷曲向β—折疊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。繭絲內(nèi)部的非晶區(qū)減少，結(jié)晶度有所提高。

3結(jié)論

a）蠶繭經(jīng)過干燥后，繭層表面的疏水性隨著干燥溫度的增加而增加，鮮繭表面的親水性要優(yōu)于干繭;干繭的落緒次數(shù)比鮮繭少得多，特別是內(nèi)層落緒次數(shù)。

b）頭沖溫度為105 ℃時(shí)，繅制的生絲力學(xué)性能最好，斷裂強(qiáng)度為4.22 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為20.71%;與此同時(shí)，頭沖溫度105 ℃繅制的生絲清潔、潔凈與抱合也優(yōu)于其他頭沖溫度繅制的生絲。

c）熱重分析結(jié)果表明鮮繭經(jīng)過干燥后，熱分解溫度提高，頭沖溫度為105 ℃繅制的生絲，最大質(zhì)量損失速率點(diǎn)溫度最高，為338.140 ℃，說明其熱穩(wěn)定性最好。

d）紅外光譜結(jié)果表明鮮繭經(jīng)過干燥后，酰胺Ⅴ特征峰的位置發(fā)生了移動(dòng)，繭層絲膠的分子構(gòu)象發(fā)生了從無(wú)規(guī)卷曲（鮮繭絲）向β—折疊結(jié)構(gòu)（干繭絲）的轉(zhuǎn)化。

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