样品长度和拉伸速度对生丝拉伸试验结果的影响

赵天福，韩 冷，王玉军，徐 水

(1.西南大学生物技术学院，重庆400716;2.信州大学 纤维学部应用科学科，日本上田386-8567)

家蚕丝历史悠久，是一种天然蛋白质长纤维。长期以来，蚕丝用于服用纤维材料，其光泽及与人体皮肤的相容性、吸湿、保温等特性受到人们的重视［1］，其强度及断裂伸长率却很少受到关注。随着化学纤维的兴起，蚕丝纤维曾一度处于竞争劣势，蚕丝的强度和色牢度较低等因素一度成为主要原因。蚕丝由蚕在常温、常压条件下吐丝形成，不需要使用剧烈的化学试剂，生产过程的环境负荷低。在环保问题日趋严重的今天，蚕丝再次受到瞩目。研究者开始利用各种方法试图改变蚕丝的特性以赋予其新的用途。例如，利用生物工程方法向蚕导入外源基因，向蚕丝蛋白质中引入蜘蛛丝蛋白［2-3］、荧光蛋白［4］等。其中利用导入外源蛋白增强蚕丝强度的研究倍受关注。外源蛋白在氨基酸序列、分子大小方面与蚕丝不同。外源蛋白的掺入，改变了丝纤维的一级结构，纤维内分子间键的构成发生变化，在拉伸试验中化学键的断裂和再形成，最终影响生丝的机械性能。正确评价改性后蚕丝的机械性能非常重要。不同的研究者在测定生丝强度等机械性能时，采用的试验条件和方法有一定差异，如生丝样品的长度、拉伸的速度等不尽相同，得出的结果不便于相互比较。本研究调查分析了生丝拉伸试验中的丝样品固定方式、丝样长度、拉伸速度等对生丝强度、断裂伸长率、初始模量和断裂功测定值的影响，以期为正确评价转基因蚕丝等改性蚕丝的机械性能提供试验方法的参考。

1 试验

1.1 材 料

蚕茧由信州大学纤维学部附属农场提供。蚕品种为“锦秋×钟和”杂交种非转基因蚕品种。采用10粒茧定粒缫丝得到的生丝，经干燥后卷取120 m精确称量，计算得到该丝的纤度为26.6 dtex(23.9 D)。

1.2 方 法

1.2.1 丝样的制作

粘贴丝样纸框的制作:在厚纸上用刀片挖出长方形的孔，制成用于粘贴拉伸试验用丝样品的纸框。孔宽5 mm，孔长分别为20、40、60、80 mm 和100 mm，共5种规格，孔四周准确保留纸宽5 mm，剪去多余的纸。

丝样品粘贴:分别取比上述纸框长边略长的生丝，丝的长轴与纸框长边平行，置于上述纸框中央。丝两端用NW-10双面胶(日本NICHIBAN公司)或SS-2000瞬间接着剂(以下称速干胶水，日本YAMATO公司)粘贴到纸框的较短一边的边框上。剪去长出纸框边沿多余的丝。使用的NW-10双面胶有普通强度和高强度两种。

20 mm的丝样制作60个，各取15个分别用下述4种方式固定到纸框上:1)两端均用普通强度双面胶(以下简称“普通-普通”);2)一端用普通强度双面胶，另一端用高强度双面胶(以下简称“普通-高强”);3)两端均用高强度双面胶(以下简称“高强-高强”);4)两端用速干胶水(以下简称“速干-速干”)。该60个样品用于下述固定绝对拉伸速度的试验。

另外制作长40、60、80 mm和100 mm丝样各30个，两端均用速干胶水固定。每种长度丝样各取15个分别用于定速拉伸和定长拉伸的试验。

1.2.2 拉伸试验和数据分析

拉伸试验在AGS拉伸试验机(日本岛津公司)上进行。样品在20℃、相对湿度65%的条件下平衡24 h后随即开始试验。试验环境条件同样为20℃、相对湿度65%。试验时将粘有样品的纸框两个短边分别夹进试验机的上下样品夹后，剪断长边的纸框后开始试验。拉伸速度分两种:1)定速拉伸速度为20 mm/min;2)定长拉伸使每分钟伸长率为100%，换算为绝对拉伸速度时，对20、40、60、80 mm 和100 mm长的丝样分别用 20、40、60、80、100 mm/min 的速度拉伸。拉伸试验按预定的速度进行，直到应力降为0，试验机自动停止并复位。试验数据用TRAPEZIUMX(日本岛津公司)和Excel2000(美国微软公司)进行分析处理。

2 结果与讨论

2.1 不同粘贴方法的拉伸试验结果

对用4种不同方式固定在纸框上的长度20 mm的丝样，在定速拉伸20 mm/min下试验，结果如表1所示。表1中初始模量是通过软件计算得到的载荷10～40 cN区段的弹性模量(下同)。对于在试验中被拉断的样品，应力最大点即是断裂点，断裂功就是从开始点到断裂点吸收的能量。一部分丝样在断裂前从固定纸框上滑落，对这部分样品记录的是最大应力点的强度、伸长率和从开始点到最大应力点之间所做的功。为便于叙述，下文统一称为断裂强度、断裂伸长率和断裂功。

表1 不同方法粘贴生丝样品的拉伸试验结果Tab.1 The results of tensile test of raw silk samples with different sticking methods

从表1可见，不同生丝样品的固定方法所得到的试验结果差异很大。断裂强度从小到大为:普通-普通、普通-高强、高强-高强、速干-速干;伸长率从小到大则为:速干-速干、普通-普通、普通-高强、高强-高强，速干胶水固定的丝样反而最低;初始模量趋势与伸长率刚好相反，从大到小为:速干-速干、普通-普通、普通-高强、高强-高强;断裂功从小到大是:普通-普通、普通-高强、高强-高强，速干胶水固定的丝样介于“普通-高强”和“高强-高强”之间。从各处理的变动系数看，初始模量的变动系数最小均在0.1以下。由于4种处理，除固定方法外的其他条件完全相同，这些差异是因为丝的固定材料不同造成的。

进一步观察4种丝样固定方式下的应力-应变曲线，发现它们间存在明显的不同(图1)。从图1可见，使用了普通强度双面胶固定的两种处理，应力到达最大点后缓慢下降直到变为0。在试验过程中观察到这两种处理的丝样并未断裂，而是从固定用的纸框上滑落。两端均使用强力双面胶或速干胶水固定的丝样在强力达到最大时断裂，最大点强度等于断裂强度。但是，这两种处理间的断裂强度、断裂伸长率并不相同。强力双面胶固定的丝样最大点强度较小，但伸长率大。推测在拉伸过程中，样品虽然没有脱落，但在固定纸框上发生了一定程度的滑动。滑动在曲线上表现为虚假的伸长，导致了计算得到的初期弹性率下降。速干胶水固定的样品没有虚假的伸长，所以伸长率最小、初期弹性率最大，是最接近丝样真实数据的结果。

图1 不同粘贴方法的生丝样品的拉伸应力-应变曲线Fig.1 Stress and strain curves of raw silk samples with different sticking methods

2.2 不同丝样长度下定速拉伸的试验结果

定速拉伸速度为20 mm/min的条件下，丝样长度分别为20、40、60、80 mm和100 mm时的试验结果如表2所示。试验的丝样用速干胶水固定。

表2 定速拉伸速度为20 mm/min时不同丝样长度的拉伸试验结果Tab.2 The tensile test results of silk samples with different lengths at constant tensile speed of 20 mm/min

从表2可以看出，丝样长度不同时，断裂强度、断裂伸长率、初始模量存大较大差异。除个别处理(丝样长20 mm)外，拉伸强度和伸长率随试验丝样长度的增大而下降。初始模量变化不大。关于断裂功，换算为单位体积(m3)丝样的断裂功，20、40、60、80 mm 和 100 mm 丝样分别为:5.67E+12、7.79E+12、4.31E+12、3.95E+12、3.37E+12 cN·mm，不同丝样长度的变化趋势与强度类似，变化范围(3.37～7.79)E+12 cN·mm，开差较大。4种测定值的变动系数中，初始模量的变动系数最小均在0.05以下，强度的变动系数次之为0.04～0.06。断裂功的变动系数最大达到0.49。

通常纤维上会存在一些相对较细或弱的区域，进行拉伸试验时，样品会在这些较弱区域发生断裂。家蚕茧丝是一种天然蛋白质纤维，弱点区域粗细不等、分布不均。生丝由数根茧丝依靠简单的加捻和丝胶的黏合作用粘在一起的。拉伸试验的样品生丝上的弱点区域的多少和强弱、加捻的均匀度，丝胶粘合的情况等，都会影响试验结果。本次测得的断裂强度和断裂伸长率随丝样长度增加而下降，可能是由于较长的丝样上，包括更多的弱点区域、长丝上的加捻状况和丝胶粘合情况更为复杂所至。

纤维的应力-应变关系会随着外力作用的时间变化而变化。周颖等［5］报告在单丝拉伸试验中，拉伸速度越高测得的强度越大。本次的生丝拉伸试验中也观察到同样的现象。20 mm/min的绝对拉伸速度，对于20 mm长的丝样来说每分钟拉伸了100%，而对于100 mm长的丝样来说是每分钟仅拉伸20%。这是强度和伸度测定值随丝样长度增加而减小的另一个可能原因。

2.3 不同丝样长度下固定相对拉伸速率的试验结果

在不同的丝样长度下，固定相对拉伸速率为每分钟 100%，即夹持长度为 20、40、60、80 mm 和100 mm时，分别采用20、40、60、80、100 mm/min 进行拉伸试验，各处理的拉伸结果如表3所示。

表3 固定相对拉伸速度为100%/min时不同丝样长度的拉伸试验结果Tab.3 The tensile test results of silk samples with different lengths at constant tensile speed of 100%/min

从表3可以看到，在固定相对拉伸速度时，不同丝样长度间的强度、伸长率、初始模量虽然仍有不同，但是变化幅度很小，远低于固定绝对速度时的变化，而且变动趋势不明显。4个参数中，仍以初始模量的变动系数最小，在0.11以下。单位体积(m3)样品的断裂功，20、40、60、80 mm 和100 mm 丝样分别为:5.80E+12、6.42E+12、5.77E+12、5.14E+12、和4.90E+12 cN·mm，变化范围(4.90 ～5.77)E+12 cN·mm差异小于定速拉伸时的差异。通过固定相对拉伸速度，可以减小样品长度不同时对试验结果的影响。

3 结论

1)本次试验用3种不同的粘贴材料(普通双面胶、强力双面胶和速干胶水)以4种不同的方式将丝样固定在纸框上进行拉伸试验。发现不同的粘贴方式得到不相同的试验结果。不牢固的粘贴方式下丝样滑动，测得的数据不准确，强度、初始模量偏低，伸长率和断裂功或大或小。本次使用的3种材料中，速干胶固定的结果最可靠。

2)当试验丝样长度增加时，测得的初始模量变化不大，强度和伸长率下降。推测强度和伸长率的下降是因为较长的丝样中包括较多的弱点区域。拉伸速度是影响试验结果的另一个重要因素。当按丝样长度增加比例提高拉伸试验速度时，不同的丝样长度间的断裂强度、断裂伸长率、初始模量的差异减小。在4种评价指标中，初始模量的变动系数最小，数据波动最小。

［1］黄君霆，朱万民，夏建国，等.中国蚕丝大全［M］.成都:四川科学技术出版社，1995:711-712.HUANG Junting，ZHU Wanmin，XIA Jianguo，et al.Complete Works of Sericultural Technology in China［M］.Chengdu:Sichuan Publishing House of Science ＆ Technology，1995:711-712.

［2］WEN H，LAN X，ZHANG Y，et al.Transgenic silkworms(Bombyx mori)produce recombinant spider dragline silk in cocoons［J］.Molecular Biology Reports，2010，37(4):1815-1821.

［3］张袁松，赵天福，赵爱春，等.转基因家蚕生产含蜘蛛丝蛋白的新型复合茧丝纤维［J］.纺织学报，2012，33(5):1-5.ZHANG Yuansong，ZHAO Tianfu，ZHAO Aichun，et al.New silk fiber composite containing spider dragline silk protein and produced by transgenic silkworm［J］.Journal of Textile Research，2012，33(5):1-5.

［4］TAMURA T，THIBERT C，ROYER C，et al.Germline transformation of the silkworm Bombyx mori L.using a piggyBac transposon-derived vector［J］.Nature Biotechnology，2000，18(1):81-84.

［5］周颖，许建梅.生丝单丝强度、伸长率与拉伸速度相关性分析［J］.丝绸，2010(6):20-22.ZHOU Ying，XU Jianmei.Relevent analysis on single-silk intensity，elongation and drawing speed of raw silk［J］.Journal of Silk，2010(6):20-22.