酸碱处理对天蚕丝结构与性能的影响

徐淑萍，宗亚宁

（中原工学院，郑州450007）

天蚕（Antheraea yamamai），又名山蚕或日本柞蚕，属节肢动物门昆虫纲鳞翅目天蚕蛾科天蚕种，主要分布于中国、朝鲜、韩国、日本等地.天蚕丝性能优异，呈独特的天然湖绿色，光泽优美，不褪色，伸长度比桑蚕丝好，被视为珍品，有“丝中之王”、“丝中钻石”、“梦的纤维”等美称［1－2］.

天蚕丝因其特有的色泽、产量极低以及价格昂贵等特点而更多地应用于服装的装饰、点缀，具有较高的开发利用价值.天蚕丝具有良好的生物适应性和保健功能［3］.

目前国际上对天蚕丝的研究较少，仅对天蚕丝的氨基酸组成、外观形貌、力学性能及热学性能进行了一些研究［4－5］.本文主要对经酸碱处理前后天蚕丝的结构与性能进行研究，为天蚕丝应用和产品开发提供基础资料.

1 实 验

1.1 实验材料与仪器

实验材料：天蚕丝5.2dtex.

实验仪器：表面皿、烘箱（Y802l）、D／max－2550 PC 18kW转靶X射线衍射仪、XQ－1型纤维强力拉伸仪.

1.2 样品制备与测试分析

1.2.1 酸处理

称取一定量的天蚕丝样品，分别用0.1mol／L、0.5mol／L、1mol／L、2mol／L、5mol／L的盐酸溶液处理，浴比均为1∶50，处理温度均为30℃，处理时间均为60min，然后用蒸馏水将样品洗净，均在50℃的烘箱内烘干.

1.2.2 碱处理

称取一定量的天蚕丝样品，分别用0.01mol／L、0.02mol／L、0.05mol／L、0.1mol／L、0.5mol／L的氢氧化钠溶液处理，浴比均为1∶50，处理温度均为30℃，处理时间均为60min，然后用蒸馏水将样品洗净，均在50℃的烘箱内烘干.

1.3 拉伸性能测试

将热处理后的样品在大气条件（温度20℃，相对湿度65%）下平衡24h后，在XQ－1型纤维强力拉伸仪上测试其拉伸性能，每组测试纤维25根.拉伸隔距为10mm，拉伸速度为5mm／min，测试条件为实验室大气条件（温度20℃，相对湿度65%）.测试指标主要为断裂强度、断裂伸长、初始模量、断裂功［6］.

1.4 结晶结构分析

将洁净干燥的纤维样品剪成粉末状，置于干净的称量纸上，做好标记.用D／max－2550PC 18kW转靶X射线衍射仪测定其结构［6］.将纤维粉末安放在玻璃样品架上，测试条件为：Ni滤波，Cu靶Kα射线，管压40kV，管流40mA，扫描速度2°／min，扫描角度5～60°.

2 结果分析

2.1 天蚕丝拉伸性能

天蚕丝与同属腺分泌类的桑蚕丝、柞蚕丝的力学性能比较如表1所示［6］.

由表1可以看出，天蚕丝的断裂强度最小，桑蚕丝与柞蚕丝的断裂强度基本相同；天蚕丝的断裂伸长最大，柞蚕丝的断裂伸长较大，桑蚕丝的断裂伸长最小；天蚕丝的初始模量最低，柞蚕丝的初始模量较低，桑蚕丝的初始模量最高；天蚕丝的断裂功最大，桑蚕丝的断裂功最小.纤维的力学性能与其化学结构及结晶度有关，结晶度高，则断裂强度较大，断裂伸长较小.

表1 天蚕丝、柞蚕丝和桑蚕丝的力学性能

用XQ－1型纤维强力拉伸仪对3种纤维进行测试并计算，天蚕丝、柞蚕丝、桑蚕丝的结晶度分别为40.07%、44.9%、50.35%.可以看出，天蚕丝的结晶度是造成其拉伸性能与桑蚕丝、柞蚕丝有较大差异的主要原因.

2.2 酸碱处理对天蚕丝拉伸性能的影响

酸处理前后天蚕丝的力学性能如表2所示；碱处理前后天蚕丝的力学性能如表3所示.

表2 酸处理前后天蚕丝的力学性能

表3 碱处理前后天蚕丝的力学性能

由表2和表3可知：经酸碱处理后，天蚕丝的断裂强度和断裂伸长都下降，尤其经碱处理后，断裂强度下降的更多，断裂功降低，说明纤维的耐疲劳性能下降.酸处理后，纤维的初始模量增加，而碱处理后，模量变化不大.这是因为天蚕丝经酸碱处理后，纤维结构变化的基本机理是不同的：在碱的作用下，不但蚕丝纤维分子间的氢键受到破坏，而且蛋白质分子的酰胺键出现水解，导致大分子降解（先是无定形区，然后是结晶区），使纤维结晶度降低.随着水解的进行，纤维的结构逐步被破坏，力学性能下降，在处理时间相同的条件下，碱的浓度越高，纤维降解越厉害；在酸的作用下，主要是蚕丝蛋白质分子间的氢键被破坏，纤维降解作用不大，并且蛋白质分子发生重结晶现象［7］.酸碱处理前后天蚕丝的拉伸曲线如图1所示（因为天蚕丝耐碱性不好，依据碱处理后天蚕丝的力学性能，在0.5mol／L碱处理后天蚕丝的力学性能较佳；基于对等原则，酸也选择同样的浓度）.

图1 酸碱处理前后的拉伸曲线图

由图1可以看出，纤维拉伸曲线存在较明显的屈服点，屈服点较低，并且屈服点之后拉伸曲线较为平缓.这是因为大分子基原纤排列不规整，无定形区比较大，纤维的横向联系较为松散，易被外力破坏，从而形成较低的屈服点；无定形区的大分子取向度较低，具有较高的拉伸变形能力，从而形成屈服点之后平缓的拉伸曲线.

酸碱处理同样影响材料屈服点的位置：经酸处理后，屈服点位置升高，屈服伸长和屈服应力增加，因为在拉伸初期，酸能促使纤维大分子间发生重结晶，使其模量增加，但由于大分子间氢键受到破坏，使得纤维断裂强度和伸长下降；经碱处理后，屈服点位置变化较小，屈服伸长和屈服应力略有减小，纤维断裂强度和断裂功均下降，尤其是断裂强度下降明显，因为酰胺键水解效应明显，纤维结构破坏较明显［8］.

2.3 酸碱处理对纤维结构的影响

酸碱处理前后天蚕丝的衍射图如图2所示.

图2 酸碱处理前后天蚕丝的衍射图

由图2可以看出：经酸碱处理后，天蚕丝X衍射图的基本形状没变，说明酸碱处理后纤维的结构没有发生本质改变；酸处理后其衍射图的峰变高，表明酸处理后天蚕丝的结晶度升高；碱处理后其衍射图的峰变低，表明天蚕丝的结晶度略有下降.这是因为酸碱处理对天蚕丝纤维结构的作用过程不同：虽然酸碱均能破坏分子间的氢键作用，但是在碱的作用下氨基酸中的酰胺键会发生水解，结晶结构由外向内逐渐被破坏；而酸能促进蚕丝蛋白质分子的结晶，其中大分子发生重结晶，但是水解效应不明显.因此，在低浓度酸的作用下，天蚕丝的结晶度上升；在低浓度碱的作用下，结晶度略有下降.酸碱处理前后天蚕丝的结晶度如表4所示.

表4 酸碱处理后天蚕丝的结晶度

3 结 语

通过对经酸碱处理前后天蚕丝的力学性能和结构的研究，得出以下结论：

（1）天蚕丝经酸碱处理后，其断裂强度和伸长下降，断裂功降低，其中碱处理后下降更多；

（2）天蚕丝经酸处理后，初始模量增加，屈服应力和伸长增加；同浓度的碱对此影响不大；

（3）天蚕丝经酸处理后，结晶度增加；经碱处理后，结晶度下降.

［1］郑忠厚，李明忠.天蚕丝素及其性质［J］.国外丝绸，2007，10（1）：24－26.

［2］何占演.我国天蚕的开发现状及有待解决的问题［J］.中国蚕业，1992（5）：48－49.

［3］肖林珍，汪泰初.不同品系天蚕的特性及其利用［J］.中国蚕业，2006（8）：97－98.

［4］刘忠云.天蚕形态及生物学特性初探［J］.北方蚕业，2006，27（108）：7－9.

［5］刘冠峰，汪柯，郭桂云.天蚕茧丝的性状和缫丝特性［J］.丝绸，1990（4）：50－53.

［6］武宜鸣，安琳，朱文俊.热处理对天蚕丝结构与性能的影响［J］.国际纺织导报，2010（1）：26－28.

［7］董凤春，潘志娟，贾永堂.野蚕丝的结构和性能分析［J］.丝绸，2006（3）：3－7.

［8］杨丹.天蚕蚕丝和各种纺织纤维性能的比较［J］.江苏丝绸，2000（6）：38－40.