红外干燥短流程制丝工艺探析

马成龙，陈文兴，江文斌，傅雅琴

(1.湖州大东吴丝绸有限公司，浙江 湖州313000;2.浙江理工大学材料与纺织学院，杭州310018)

现行常规的制丝工艺包括煮茧、缫丝、真空给湿、复摇、整理。其中，在缫丝工序中，将丝条卷绕成小丝片，并在卷绕过程中对小丝片进行适当的干燥，使小丝片的回潮率在25%左右;在真空给湿工序中，将缫丝过程中基本干燥的小丝片在水中真空给湿，给湿后丝片的回潮率达300%左右;在复摇工序中，将真空给湿并适当平衡后的小丝片卷绕成大丝片，并在卷绕过程中对丝片进行干燥，使大丝片的落丝回潮率在8.5%左右。因此，如果在缫丝工序中直接将丝条卷绕成大丝片，进行短流程制丝，不但可以省去真空给湿和复摇工序，而且可以大大节省能耗。但实现有效的短流程制丝，必须在缫丝过程中将回潮率为140%左右的丝条干燥至8%～9.5%，而传统的加热方式往往难以达到该要求。干燥工艺成为能否实现短流程制丝工艺的关键技术。谭之虎[1-3]对短流程制丝的干燥工艺进行了系统的研究，确立了以电热原件加热的丝条干燥工艺，并对相关设备进行了研制。但到目前为至，还停留在40绪的试缫水平[2]。为了尽快地实现短流程制丝工艺的产业化，本课题组设计了短流程制丝的装置，并研究了红外干燥工艺对短流程制丝的生丝品质影响。

红外加热是一种在综合传热基础上强化辐射传热的技术。红外辐射以电磁波的形式传递热量，当辐射体发出的红外线到达物体上时，会出现反射、吸收或穿透等现象。当被加热物体中的固有振动频率和射入该物体的红外线频率一致时，该物体就会大量吸收远红外线，产生强烈的共振，物体中的分子或原子运动加剧，因而温度迅速升高。由于红外辐射能以光速传播，特别是在高温区域，其所载辐射热流密度可达对流热密度的几十倍，具有损耗小、升温快、无需传热介质等特点[4]，已在国内外被作为一门节能技术而广泛应用于纸张、薄膜、油漆、搪瓷、粮食等产品的表面干燥和脱水[5]。浙江理工大学的王瑞等[6]利用红外干燥技术对复摇工序中的丝片干燥进行了研究，取得了良好的效果，并在企业进行了产业化应用。

笔者将红外干燥工艺应用于短流程制丝工艺中，研究红外干燥对短流程制丝的生丝品质的影响，为实现短流程制丝的产业化提供参考。

1 实验

1.1 短流程制丝的设备

短流程制丝工艺是指在制丝生产中，将传统的缫丝工序和复摇工序合二为一，实现大缫丝。为此，对常规的缫丝机进行了设计改装。主要设计改装的结构是加大缫丝机顶端的空间，将常规缫丝机中安装的小替换成大，并对络绞机构和传动机构进行了改装，使缫丝工序中的丝条能直接卷绕到大上面，通过安装在大上面的红外加热装置对卷绕过程中的大丝片进行干燥。

1.2 短流程制丝的干燥装置

图1 短流程制丝工艺中红外灯管的位置示意图Fig.1 Schematic diagram of infrared lamp position inshort-processsilk making process

1.3 样丝的制备

样丝制备在湖州大东吴丝绸有限公司内进行。在改装的自动缫丝机中，直接将生丝卷绕到大上，大的转速为90 r/min(相当于常规缫丝的小转速207 r/min)。在3个不同位置的红外灯管分别制备样丝(即在缫丝过程中，每次只开一个位置的灯管)，每个位置采用40、50、60℃等3个不同的干燥温度，每个温度下制作4个样品，共得到9组36个样品。另外，为了比较，对同样的原料茧，进行常规制丝工序(小缫丝后，真空给湿及复摇)制丝，小丝片的干燥方式为常规的蒸汽管加热干燥。

1.4 丝片的回潮率测试

按GB/T 1798—2008《生丝试验方法》的规定，利用烘箱法测量样品的实际回潮率。

1.5 力学性能测试

采用XL-2型纱线强伸度仪对生丝的强伸力进行测 试[7]。拉伸速度为500 mm/min，夹距为500mm，预加张力为0.05 cN/dtex(0.45 cN/D)。每组测试50个有效试样。

1.6 生丝的清洁、洁净及抱合测定

委托浙江省商品检验检疫局丝类检验中心、湖州国家第三茧质鉴定所，对所制备样丝的清洁、洁净及抱合等生丝品质指标进行测定。由于短流程及红外干燥不会影响偏差、总差二度等品质指标，因此，这些品质指标不进行具体测定。

1.7 XRD 测试

采用X'TRA型X射线多晶粉末衍射仪(Cu靶，Kα射线)对丝纤维结晶度进行测试。操作条件:管电压40 kV，管电流 40 mA，扫描范围 5 ～50°，扫描速度2°/min。并根据下公式计算各样品的结晶度。

式中:Xc为样品的结晶度，Ic样品中结晶区对X射线的衍射程度，I0样品中无定形区(非晶区)对X射线的散射强度。

2 结果与讨论

2.1 红外干燥位置及干燥温度对丝片落丝回潮率的影响

图2为不同干燥位置和干燥温度下得到的样丝回潮率。从图2可以看出，在同一个位置下干燥温度越高，样丝回潮率越低。在同一温度下，3号位的干燥效果最好，2号位次之，1号位最差。这可能是由于3号位卷绕的生丝最早进入干燥区。当干燥温度为60℃时，利用1号位、2号位和3号位红外灯管干燥的丝片的落丝回潮率平均值分别为10.5%、9.5%、8.7%。在后续的研究中，均采用3号位置的红外灯管，且温度为60℃。

图2 灯管位置和温度对丝片落丝回潮率的影响Fig.2 Influence of the position and temperature of infrared lamp on the moisture regain ofsilk falling

2.2 红外干燥短流程制丝工艺对生丝断裂强度和伸长率的影响

生丝的断裂强度和伸长率与蚕丝的丝胶含量及丝素蛋白的聚集态结构有关，主要是由丝素的结晶区和非结晶区结构决定的。表1为常规制丝工艺制备的生丝和短流程制丝工艺生产的生丝的断裂强度和断裂伸长率。从表1中可以看出，2组样品的平均断裂强度值相差较小，短流程制丝工序所制备的生丝的断裂伸长率要稍稍高于常规干燥，这与文献[3]的结果一致。

表1 生丝断裂强伸度Tab.1 Breakingstrength and elongation of rawsilk

2.3 红外干燥短流程制丝工艺对生丝清洁、洁净、抱合成绩的影响

将制备的生丝分别委托浙江省商品检验检疫局丝类检验所检验和国家第三茧质鉴定所检测，得到的结果见表2。从表2可以看出，利用红外技术干燥短流程制丝生产的生丝的清洁和洁净成绩与常规制丝生产的生丝基本一致，而抱合成绩稍高于常规制丝工艺生产的生丝。

表2 生丝清洁、洁净、抱合成绩Tab.2 Cleanliness，neatness and cohesion of rawsilk

2.4 红外干燥对短流程缫丝生丝结晶度的影响

图3为两组样品的XRD衍射谱图。图3可见2组样品的曲线形状基本相同。利用PeakFit[6]软件对其进行分峰处理后，可以清楚地看到生丝的主要衍射吸收峰出现在 2θ为 10.8、18.3、20.6、24.4、28.3°左右的位置，与文献[7]基本相同。各样品在20.6°位置左右的峰值比较明显，该特征峰对应于SilkⅡ结构，说明2组样品的主要结构是β折叠结构，两者之间晶体结构基本相同。

图3 生丝的XRD衍射图Fig.3 XRD diffraction pattern of rawsilk

表3为两组样品的结晶度。从表3可以看出，2组样品的结晶度仅相差0.23%，说明2种生丝的结晶结构没有明显差别。

表3 生丝的结晶度Tab.3 Crystallinity of rawsilk

3 结论

2)与常规缫丝生产的生丝相比，红外技术干燥短流程制丝工艺，对生丝的断裂伸长率和断裂强度、洁净、清洁品质指标没有明显影响。

3)与常规缫丝生产的生丝相比，红外技术干燥短流程制丝工艺生产的生丝的结晶度没有明显的变化。

[1]谭之虎.“直接缫丝”新技术研究与探索:缫丝工艺及设备创新之一[J].四川丝绸，2006(3):10-13.TAN Zhihu.Study and research on the new technology of“Direct Reeling”:the 1st innovation ofsilk reeling technology and equipment[J].Sichuan Silk，2006(3):10-13.

[2]谭之虎.“直接缫丝”的关键技术:丝条烘干装置的探索与研究[J].四川丝绸，2007(1):12-16.TAN Zhihu.The key technology of direct reeling:research andstudy on dryer forsilk yarm[J].Sichuan Silk，2007(1):12-16.

[3]谭之虎.“直接缫丝”设备丝条烘干装置的缫丝实验分析:缫丝工艺及设备创新之四[J].四川丝绸，2007(3):7-11.TAN Zhihu.Analysis ofsilk reeling tests by direct reeling facilities andsilk drying installation:the 4th innovations ofsilk reeling technology and facilities[J].Sichuan Silk，2007(3):7-11.

[4]KRISHNAMURTHY K，KHURANA H K，SOOJIN J，etal.Infrared heating in food processing:anoverview[J].Comp Rev Food Sci Food Safety，2008，7(1):2-13.

[5]LEE SH，KO SC，KANG SM，etal.Antioxidative effectof ecklonia cava dried by far infrared radiation drying[J].Food Sci Biotechnol，2010，19(1):129-135.

[6]WANG R，JIANGW，LIS，etal.Application research on infrared drying in silk re-reeling process[J]. Textile Research Journal，2012，82(13):1329-1336.

[7]李春钢，张国权.生丝断裂强力和断裂伸长率的检验仪器[J].丝绸，2002(4):34-35.LIChungang，ZHANG Guoquan.The instruments for testing rawsilk breakingstrength and breaking elongation percentage[J].Journal of Silk，2002(4):34-35.

[8]梁卫民，白立新.Peakfit软件在LaCl3γ谱解析中的应用[J].核电子学与探测技术，2010，30(6):835-838.LIANGWeimin，BAILixin.Applications of peakfitsoftware in unscrambling measured bygamma-rayspectrum LaCI3γdetector[J].Nuclear Electronics ＆ Detection Technology，2010，30(6):835-838.

[9]吴徵宇，金宗明，徐立群.丝素的结晶度和结构变化的研究[J].蚕业科学，1993，6(2):105-110.WU Huiyu，JIN Zongming，XU Liqun.Studies on the changes of crystallinity andstructure ofsilk fibron[J].Acta Sericologica Sinica，1993，6(2):105-110.