不同品种桑蚕牵伸丝的结构与性能.pdf

第 卷 第 期 年 月现代纺织技术 .:.不同品种桑蚕牵伸丝的结构与性能刘 术侯 腾周乐乐周 静李祥龙杨 斌(浙江理工大学纺织科学与工程学院(国际丝绸学院)杭州)摘 要:利用自主研制的圆锥斜面强制牵伸抽丝装置对不同品种五龄桑蚕进行强制抽丝通过拉伸测试、傅里叶红外光谱及 射线衍射对不同品种牵伸丝与相应原茧丝的结构与性能进行表征与分析 结果表明:两种牵伸丝的力学性能均优于其对应茧丝黄色雄蚕牵伸丝的力学性能更佳其初始模量、断裂强度、断裂比功与伸长率的平均值分别为.、.、.与.牵伸作用会导致丝纤维晶粒尺寸减小、结晶度提高从而赋予丝纤维更为优异的力学性能关键词:桑蚕丝强制抽丝力学性能二级结构彩色蚕丝中图分类号:.文献标志码:文章编号:()收稿日期:网络首发日期:基金项目:浙江省自然科学基金项目()作者简介:刘术()女江西宜春人硕士研究生主要从事高性能蚕丝的开发与应用方面的研究通信作者:杨斌:.随着人们对生态环境及身体健康的重视开发力学性能优良、生物相容性好及可降解的纤维材料具有重要意义 蚕丝发展历史悠久来源广、产量高是人们所熟知的天然蛋白质纤维具有亮丽的光泽、柔软的手感与良好的人体相容性等是理想的服用材料 然而与蜘蛛丝相比蚕丝的强度与韧性还无法达到高性能材料的要求这限制了其在生物医药、人工肌肉、智能传感器、软体机器人等亟须高性能蛋白质材料领域的应用 为此很多研究者尝试以人工仿生纺丝、家蚕基因编辑、家蚕添食改性等方法制备高力学性能的丝纤维但这些方法仍存在一定局限性而合成纤维又缺少蚕丝独特的生物相容性强制牵伸抽丝是指直接对吐丝动物体进行抽丝的方法 已有研究表明通过对桑蚕抽丝速度的调控可获得更为坚硬或强韧的蚕丝 但不同品种桑蚕的体质特性不同对强制牵伸作用的反应也不相同会导致丝纤维力学性能的差异 因此有必要对不同品种桑蚕的牵伸丝性能进行对比为今后制备高强、高模、高韧的蚕丝提供参考本文以相同牵伸速度分别对白色茧雄蚕与黄色茧雄蚕进行强制牵伸抽丝通过对比茧丝的力学性能与内部结构特征阐明不同品种桑蚕牵伸丝力学性能的差异及变化原因 实 验.实验原料材料:五龄白色茧雄蚕(秋丰 白玉)五龄黄色茧雄蚕(金秋 初日)浙江雅云生态农业有限公司仪器:型真空干燥箱(上海精密实验设备有限公司)型电热恒温鼓风干燥箱(天津塞得利斯实验分析仪器制造厂)型纤维细度仪(上海新纤仪器有限公司)型纤维细度仪(上海新纤仪器有限公司)型傅里叶红外光谱仪(美国热电公司)粉末 射线衍射(德国布鲁克公司).实验方法.茧丝与牵伸丝样品的制备室温条件下饲养五龄桑蚕至上簇期选取两种桑蚕自然吐丝所结蚕茧进行一粒缫丝(缫丝速度)获得未牵伸处理的白色雄蚕茧丝()与黄色雄蚕茧丝()作为实验对照组 同时选取吐丝 质量为(.)的五龄桑蚕放在强制牵伸抽丝装置上用镊子从蚕吐丝口抽出一段丝纤维并缠绕于卷绕筒牵伸速度设定为 启动电机收集白色雄蚕牵伸丝()与黄色雄蚕牵伸丝()图 为实验室设计的圆锥斜面强制牵伸抽丝装置示意图图 圆锥斜面强制牵伸抽丝装置.纤维细度测试采用上海新纤仪器有限公司 型纤维细度仪测试丝纤维线密度将细度仪开机预热 剪下 长丝纤维段待仪器预热完毕后进行测试每个丝样品测试不少于 段纤维.纤维拉伸测试采用 型单纤维强度仪对上述经过细度测试的试样进行一一对应的拉伸测试获得断裂强度伸长率曲线试样夹持距离为 拉伸速度为 .傅里叶红外光谱测试将同等质量的不同丝样品均匀缠绕在直径为 的圆形样本框上采用 型傅里叶变换衰减全反射红外光谱仪进行测试()测试范围 扫描次数 次分辨率 实验测试的数据进一步用 软件进行处理.射线衍射测试将同等质量的不同丝样品均匀缠绕在圆形样本框上采用德国布鲁克公司的 射线衍射仪进行测试 射线源为铜靴工作电压 工作电流 扫描范围 扫描速度 ()将测试所得 数据用 .软件进行分峰拟合并计算丝纤维晶面间距()、晶粒尺寸与结晶度()计算方法如式()式():()式中:是反射级数取正整数 为衍射角()为 射线波长 为晶面间距()式中:为晶粒尺寸 为谢乐常数 为 射线波长 为衍射峰半峰宽()为衍射角()()式中:为结晶度为结晶峰面积为非晶峰面积 结果与讨论.力学性能蚕丝是由两根丝素纤维外包丝胶组成的其横截面呈圆三角形实验时每一段丝纤维经细度测试后便立即进行拉伸测试以准确获得该段丝纤维的断裂强度伸长率曲线 图 与表 分别为不同茧丝与牵伸丝的力学曲线与力学性能参数 由图 及表 可知相对茧丝牵伸丝的细度减小初始模量、断裂强度、断裂比功与断裂伸长率明显增加说明对不同品种桑蚕强制牵伸均可获得力学性能提升的丝纤维但是牵伸丝拉伸曲线的离散程度增加牵伸丝细度变小主要有两方面的原因:在强制牵伸产生的强剪切作用下丝纤维内部纳米原纤沿轴向相互挤压、融合拉伸变细丝纤维在被快速牵伸时丝胶蛋白在丝素表面附着时间短形成的丝胶层更薄也致使纤维细度减小 黄色雄蚕茧丝细度略高于白色茧丝但其牵伸丝细度却低于白色茧丝表明黄色雄蚕丝更易牵伸变细 实验观察可知黄色雄蚕在强制牵伸抽丝过程中适应性强丝纤维不易断裂由图 ()和图 ()可知 的初始模量低于 纤维抵抗外力形变的能力弱这也意味着在强制牵伸作用下黄色雄蚕的丝腺丝更易被拉伸因此具有比白色雄蚕牵伸丝更小的细度 但 的初始模量经强制牵伸后显著提升分别比 与 提升.与.这是由于 经强制牵伸后其内部结构高度取向、规整排列极大地增强其抵抗外力破坏的能力致使丝纤维在受外力拉伸时不易断裂从而具有比 更高的初始模量、断裂强度与伸长率现代纺织技术第 卷 图 不同品种茧丝与牵伸丝的断裂强度伸长率曲线.表 不同品种茧丝与牵伸丝的力学性能.样品线密度()初始模量()断裂强度()断裂比功()伸长率.综上可知黄色雄蚕牵伸丝力学性能更为优异拉伸曲线离散程度小因此可选取黄色雄蚕作为制备性能稳定的高强牵伸丝的实验对象.红外光谱分析对不同品种茧丝与牵伸丝进行红外光谱测试分析结果如图 所示 由图 ()可知不同茧丝与牵伸丝的红外光谱基本一致 酰胺 带常被用于分析蛋白质材料的二级结构其中 折叠特征峰归属于 无规卷曲特征峰约在 转角则在 因此将图 ()酰胺 带局部放大如图 ()所示 与 在酰胺 带的吸收峰向高波数发生明显偏移这表明强制牵伸作用会对丝纤维二级结构产生影响 分别对、与 酰胺 带进行分峰拟合分析丝纤维内部大分子构象在强制牵伸前后的变化如图 ()图 ()所示计算获得的二级结构含量如表 所示由图 与表 可知相比于 与 与 的 折叠含量均显著增加而无规卷曲与 转角含量则明显降低且 转角含量下降幅度显著 这说明强制牵伸作用可促进丝纤维大分子中 转角向 折叠转变 对比黄色与白色雄蚕牵伸丝可知 中 折叠含量高于 表明黄色雄蚕牵伸丝应具有更高的结晶度第 期刘 术 等:不同品种桑蚕牵伸丝的结构与性能 图 不同茧丝与牵伸丝的 谱图.表 不同品种茧丝与牵伸丝的二级结构含量.样品折叠无规卷曲转角.结晶结构分析对不同品种茧丝与牵伸丝进行 测试分析结果如图 所示 由图 可知不同茧丝与牵伸丝的 图谱基本一致均在.附近出现较强的衍射峰主要代表 折叠构象为蚕丝的主衍射峰进一步分析可知相对于茧丝牵伸丝的 折叠特征衍射峰均发生小角度偏移 其中 从.偏现代纺织技术第 卷移至.从.偏移至.表明丝纤维的晶体结构在强制牵伸后产生变化 计算获得茧丝与牵伸丝的晶体参数如表 所示由式()计算可知 与 主衍射峰角度减小导致特征峰对应的晶面间距变大从而使折叠之间酰胺键 和 伸缩振动增强在红外光谱中表现为酰胺带特征峰蓝移这与前述红外光谱结果一致 由表 可知 与 的晶粒尺寸分别为.与.小于其对应茧丝 两种牵伸丝的结晶度高于相应茧丝黄色雄蚕牵伸丝结晶度由.提升至.白色雄蚕牵伸丝结晶度由.提升至.且黄色雄蚕茧丝与牵伸丝结晶度均高于对应白色雄蚕丝纤维 牵伸丝晶粒尺寸小结晶度高表明其内部晶粒规整、缺陷少能够分散应力从而提升其力学性能 黄色雄蚕牵伸丝具有比白色雄蚕丝更小的晶粒、更高的结晶度从而具有更好的力学性能这也是黄色雄蚕牵伸丝力学性能优异的原因 图 不同茧丝与牵伸丝的 拟合谱图.表 不同茧丝与牵伸丝的晶体参数.样品 主衍射峰()晶面间距 晶粒尺寸 结晶度.结 论采用自主研制的圆锥斜面强制牵伸抽丝装置对五龄桑蚕进行强制抽丝对比了黄色雄蚕牵伸丝与白色雄蚕牵伸丝结构与性能的差异结果表明:对不同品种桑蚕强制牵伸均可获得力学性能显著提升的牵伸丝但牵伸丝拉伸曲线的离散程第 期刘 术 等:不同品种桑蚕牵伸丝的结构与性能度有所增加黄色雄蚕牵伸丝的力学性能更好拉伸曲线离散程度小若要制备性能稳定的高强牵伸丝则可选取五龄黄色茧雄蚕牵伸作用会导致丝纤维内部晶粒尺寸减小、结晶度提高从而获得更为优异的力学性能参考文献:.():.():.:.:.():.().():.():.():.():.:.():.:.():.():.:.():.():.王建南裔洪根李娜.一种天然黄色家蚕丝的晶态结构研究.丝绸():.():.彭泽冶林海涛黄继伟等.清水沸煮桑蚕丝纤维的分纤举动与结构特征.丝绸():.():.现代纺织技术第 卷 ():.:第 期刘 术 等:不同品种桑蚕牵伸丝的结构与性能