蒸煮、调整时间对茧层增重的影响及新型煮茧机的改良

王晓飞， 胡征宇

(苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021)

研究与技术

蒸煮、调整时间对茧层增重的影响及新型煮茧机的改良

王晓飞， 胡征宇

(苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021)

煮茧是制丝工艺中的关键步骤。从煮茧过程中丝胶膨润原理出发，探究煮茧工艺过程中蒸煮时间、调整时间和茧子是否翻面对茧层增重及均匀性的影响。实验结果表明：蒸煮时间为1～2 min时，茧层膨润达到最大；调整时间为40 s时，茧层水增量最大而蛹体水增量最小。在蒸煮过程中，将蚕茧翻面蒸煮将有利于茧层均匀吐水，使得茧层煮熟程度均匀一致。根据实验结果改良制备了新型煮茧机，并对研制的新型煮茧机进行实地评测，结果表明新型煮茧工艺对缫丝成绩有明显提高。

煮茧机； 吐水； 膨润； 茧层水增量

煮茧是制丝工艺中的关键步骤，煮熟茧的茧质与缫丝产量、质量、缫折等都息息相关。为了满足现代自动缫丝的需求，煮熟茧必须达到下列要求：1)解舒良好，绪丝少；2)煮熟程度适当，减少颣节，提高生丝洁净度；3)防止产生瘪茧[1]。煮茧过程中伴随着丝胶由干胶到溶胶再到凝胶的转变，因此改变工艺控制丝胶最佳膨润状态是煮茧关键所在[2]。而传统的煮茧工艺中存在缺陷，导致重渗透、高温偏熟、程度不均，从而影响茧质[3-5]。为了改善上述存在的问题，从丝胶膨润、溶失理论出发，研制新型煮茧机，合理配置各部段工艺，达到了茧丝解舒率提高，丝胶膨润充分，减少丝故障数，提高洁净的作用。

1 实 验

1.1 材料及仪器

材料：蚕茧(广西桂合灵山厂)，红墨水，胶棉液(化学纯，上海烫金材料厂)。

仪器：真空渗透缸(自组装)，ALC系列电子天平(北京赛多利斯科学仪器有限公司)，HH-420系列恒温水浴锅(上海一科仪器制造有限公司)，DHG-9076A型恒温烘箱(上海精红试验设备有限公司)，温度计，老式煮茧机(广西灵山厂在用的104笼煮茧机)，新煮茧机(自行研发的98笼⊃+V型煮茧机)。

1.2 方 法

煮茧是在水、热和助剂的作用下，一定时间后使茧丝外围丝胶适当膨润溶解，减弱丝胶粒子间结合力，使其胶着力降低，胶着不匀改善，便于缫丝时茧丝能被连续、依次、快速地离解，并集束抱合成生丝[1]。煮茧包括渗透、蒸煮、调整三大过程，而丝胶的膨润和溶解主要发生在蒸煮和调整过程[6]，因此本实验通过对丝胶膨润过程的研究，确定煮茧过程中最佳蒸煮和调整时间，并证明双面蒸煮对均匀吐水的影响，然后以此为理论指导制备新型煮茧机。

1)选出50只质量差异较小的蚕茧，剥去茧衣，编号1～50，称重。750 kPa真空渗透之后，称重。将渗透好的蚕茧分为五组，待水煮沸后，将蚕茧放入锅中的蒸屉中，分别蒸煮时间为0、1、2、3 min和4 min。蒸煮完毕后，分别称重，并将蚕茧剖开，称其茧层和蛹体质量。将茧层及蛹体置于30 ℃恒温干燥机中干燥后，称重。

2)选取50只质量差异较小的蚕茧，真空渗透方法同上，蒸煮2 min。之后将蚕茧分为5组，每组10只。模拟调整部1段，在沸水中分别煮20、40、60、80 s和100 s之后称重，并且将蚕茧剖开，称其茧层和蛹体质量。将茧层及蛹体置于30 ℃恒温干燥机中干燥后，称重。

3)挑选20只大小一致的蚕茧，用针管注射器向干茧中注入红墨水，然后用胶棉液黏住孔眼位置。之后分为A、B两组，A组在蒸煮过程中不翻面，B组在蒸煮过程中翻面，蒸煮结束后，剖开蚕茧观察现象。

4)新老煮茧机生产成绩对比主要指标有煮熟茧缫丝对应缫丝机车速、万米颣吊、洁净等。

2 结果与分析

2.1 蒸煮时间对茧层增重的影响

高分子物质与适当的液体接触时，会自动地吸收液体而膨胀变软，这个过程称为膨润。膨润分有限膨润和无限膨润。丝胶是一种高分子物质，它在热水中可以通过无限膨润至溶解。煮茧过程中，丝胶得到充分的膨润，有利于茧丝顺次离解，减少颣节；而膨润过度造成丝胶溶失，影响生丝缫折同时易产生大颣，继而造成缫丝故障。因此，使丝胶充分膨润同时尽量减少溶失，是煮茧的关键。

图1为蚕茧各变量随蒸煮时间的变化情况。其中，吐水量=渗透后全茧的质量-蒸煮后全茧的质量；蛹体水增量=蒸煮后蛹体质量-干蛹质量；茧层水增量=蒸煮后茧层的质量-茧层干重；茧腔剩余水量=渗透后全茧的质量-蒸煮后茧层质量-吐水量-蒸煮后蛹体质量。

图1 蚕茧各变量随蒸煮时间的变化Fig.1 Changes of each variable of cocoon with cooking time

蒸煮中，吐水量的多少是给予茧层水分的多少，要使茧层丝胶膨润，必须给予一定量的水，给水的同时丝胶也产生溶失[7]。因此，为使茧层丝胶膨润达到最大值，必须研究茧层水增量。茧层水增量是蒸煮后茧层的质量与茧层干重的差值(为了减少误差，干重是烘干后茧层的质量乘以(100+11)%，此处的11%是生丝的公定回潮率)，值越大表示丝胶膨润越充分。从图1可以看出，蚕茧在蒸煮2 min后吐水量达到最大，虽然3 min时吐水量也很大，然而3 min吐的水是包含2 min时吐的水在内的；茧层膨润在2 min时达到最大。3 min的茧腔剩余水量比2 min少，但是茧层水增量却减小，说明3 min的茧腔剩余水量不能再使丝胶膨润，相反，会带走溶失的丝胶。因此，2 min前的吐水量在使丝胶膨润增大中起主导作用，2 min后虽然也有膨润但丝胶溶失起主导作用，故最佳蒸煮时间在1～2 min。

2.2 调整时间对茧层增重的影响

煮茧过程中，丝胶溶失主要在调整部，特别是调整部1段入口高温区域。丝胶溶失多少，不仅影响缫折，而且和解舒、缫丝故障、索绪效率、洁净成绩等有关。因此，蚕茧经过调整部1段的时间在煮茧机设计中至关重要。胶体膨润如下式所示：

ds/dt=K膨(Smax-S)

式中：K膨为膨润系数，Smax为最大膨润度，S为瞬时膨润度。

影响膨润系数的三大外因是溶剂、温度、pH值[1]。由此可知pH值对丝胶的膨润溶解影响很大，在丝胶等电点时，膨润和溶解度影响最小。煮茧过程中，随着水分进入茧腔，蛹体吸水产生蛹酸，从而改变茧层内部pH值，使茧层内外膨润不均一，影响茧丝质量。因此，既要保证茧层膨润充分又要减少蛹酸浸出。

图2为茧层水增重和蛹体水增重随调整时间的变化情况。其中，茧层水增重=煮后茧层质量―茧层干重，蛹体水增重=蒸煮后蛹体质量―干蛹质量。从图2可以看到，在0～40 s时，茧层在沸水中有限膨润，茧层增重，之后外层丝胶部分溶失，茧层增重减小；40 s时蛹体吸水量还很少，随煮茧时间增加，蛹体吸水，这时有可能有蛹酸浸出。此外煮了40 s的蚕茧的茧层水增重最大，根据丝胶的膨润特性，一般丝胶50 ℃开始膨润，70 ℃开始溶解，90 ℃丝胶急剧溶解。层丝胶溶失率的多少对生丝质量及原料消耗有着双重效应。丝胶溶失过多，则会增大缫折；丝胶溶失过少，则茧的煮熟程度较小。从经济角度来考虑，40 s时丝胶溶失较100 s小，因此40 s为最佳调整部配置时间。

2.3 蚕茧吐水均匀性实验

因为“水往低处流”，传统煮茧过程中总是下半颗茧先吐水，进而导致茧子煮熟不均，影响缫丝质量。为了能使茧子在蒸煮过程中吐水均匀，实验设计翻面蒸煮的方式，观察对煮茧吐水的影响。

图3为不同蒸煮方式对吐水影响的图片(a、b、c、d、e分别为不同吐水时间的茧外观状态，下标1

图2 茧层水增重和蛹体水增重随调整时间的变化Fig.2 Changes of water increment in cocoon shelland pupae with adjustment time

为蒸煮过程中不翻面，下标2为蒸煮过程中翻面)。由图3可知，在蒸煮过程中不翻面，吐水是从蚕茧下半部分开始的，下半颗蚕茧吐水完全时，其上半部分没有发生吐水现象。这说明在以往煮茧过程中，茧子不能被均匀煮熟：当煮茧偏生时，蚕茧下层由于吐水已经煮熟，上层未接触水，其胶着过重，缫丝易产生环颣，洁净成绩下降；如果加大吐水量，用蒸汽煮熟上半颗茧，则下半颗茧过熟，缫丝不能依次解离，影响洁净和运转率，所以现有的煮茧机使自动缫丝质量受到很大制约。

从图3还可以看到，翻面蒸煮吐水结束茧层都成红色，说明水分子已经到达丝胶各个胶着点，为丝胶膨润打下良好基础。

2.4 新老煮茧机的生产成绩对比

2.4.1 新老煮茧机结构差异

表1为新型煮茧机与老式煮茧机结构配置的比

图3 不同蒸煮方式对吐水的影响Fig.3 Influence of different cooking methods on guttation

较。根据蚕茧吐水均匀性实验结果得知，因为水往低处走，老式煮茧机的蒸煮部位于煮茧机的下槽位置，蚕茧只是下半部能够有水分子经过，为了使蒸煮均匀性得到提高，必须使得茧子通过茧笼的反转达到两面都过水。而新型煮茧机采用上下蒸煮区的方法，吐水均匀性大幅度得到提高。笔者发现目前有些工厂经过改进，使老式煮茧机的蒸煮部上槽与下槽连通，形成一个封闭的回路使得茧笼运行在上槽时也能接触到下槽逸散的水蒸气，起到预煮的目的，然而比起新型煮茧机的茧质，改进后的煮茧机在茧层煮熟均匀度、万米吊糙、洁净、生产效率等方面仍然不如新型煮茧机。新型煮茧机采用了盲管，加大了水蒸气中的焓，使茧内层能够煮熟。

表1 新型煮茧机与老式煮茧机结构配置的比较Tab.1 Comparison of structure configuration of new cocoon cooking machine and old one

老式煮茧机中，蒸煮室长度只有2～3 m，茧子经蒸煮室时间短，蒸煮时间基本只有1 min以内。根据上文对影响丝胶膨润度实验的研究表明，煮茧时间在1～2 min较为合适，调整时间在40 s为最佳。为此，新型煮茧机设备配置中，蒸煮室长度增加至6 m(上下槽各3 m),蒸煮室茧笼占整个茧笼的20%以上，根据原料特点煮茧时间可以调节为8～18 min，则满足在蒸煮室1～2 min的要求。老式煮茧机的调整部温差仅为20 ℃以内，而丝胶在50 ℃开始膨润，70 ℃开始溶解，因此只有温差达到20 ℃以上才能同时完成膨润与凝固[8]，采用V型设计就是利用高温水在上层，低温水在下层的原理，使V型煮茧机调整部温差可以达到30 ℃以上，最多可达50 ℃，满足调整要求。

2.4.2 实测结果

表2和表3分别为新式煮茧机和改进后的老式煮茧机工艺下缫丝生产数据。

表2 新式煮茧机工艺下缫丝生产数据Tab.2 Production data of silk reeling under the process of new cocoon cooking machine

表3 改进后的老式煮茧机工艺下缫丝生产数据Tab.3 Production data of silk reeling under the process of improved old cocoon cooking machine

在相同原料的情况下，不同的煮茧机煮出来的茧子的质量是有明显差异，而煮后茧子的质量好坏比较直观的是丝故障数、缫丝机车速的配置和运转率。由表2、表3对比可以看出，新式煮茧机工艺的丝故障数和万米颣吊明显减少，分析原因为新式煮茧机工艺茧层丝胶膨润度高且均匀化，使缫丝过程中茧丝能顺利解离，从而减少丝故障数和万米颣吊，同时缫丝车运转率提高，车速也相应提高，可以保证更高的台时产量。

洁净成绩目前是高品位(5A-6A)生丝定等因素中的最主要因素[9]，影响洁净的因素众多，如蚕的品种等，但最新研究发现，煮茧工艺是能够大幅度影响洁净成绩的。在缫丝工程中，茧丝颣节的形成存在两大原因，一是茧丝胶着点的离解阻力(剥离抵抗)存在差异，二是蚕茧的解舒介入了解舒抵抗的惯性导致，制丝技术中注重上述两点成因，在膨润不足的状态下，小颣等增多，是因为残留着剥离抵抗大于解舒强力的胶着点。在膨润过度的情况下发生较多的绵条颣，是因为产生离解阻力较小的胶着点，用小于平均解舒强力的力就能离解的缘故，如果能确保离解阻力和解舒强力均衡，那么不管丝胶的膨化大小如何，都不可能发生颣节。破坏这一均衡的很大原因是离解阻力不均匀，在惯性状态下进行缫丝离解[10]。笔者在工厂实测中，尝试调整各部段蒸汽温度及运转车速，以求使茧层膨润均衡。从表4可以看出相同的原料茧经过工艺调整之后新型煮茧机煮熟茧缫丝洁净分数明显优于老式煮茧机，而且变化量比较大，相当于提高了1～2个等级。

表4 新老煮茧机工艺缫丝洁净成绩对比Tab.4 Comparison of cleanness performance of silk reeling withthe process of new and old cocoon cooking machines

综合对比可以看出，新型煮茧机在性能上比老式煮茧机要优越，对缫丝成绩有明显提高。

3 结 语

1)新型煮茧机⊃型蒸煮室为吐水均匀和煮熟均匀提供了保证，蒸煮室长度的改变直接影响到蚕茧蒸煮时间的长短，从而影响茧腔吐水量与茧层的膨润度(茧层水增量)。蚕茧在蒸煮室的最佳时间为1～2 min。

2)调整段水煮时间直接影响茧层水增量与蛹体水增量，一般调整高温区在40 s以下比较合理，时间短能够保护外层丝胶溶失，同时减少蛹酸浸出。

3)通过实测对比新老煮茧机性能发现，研制的新型煮茧工艺缫丝车速明显提高，万米颣吊较少且洁净成绩提高幅度较大。

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Effect of Cooking/Adjustment Time on Weight Increment of Cocoon Shell and Improvement of New Cocoon Cooking Machine

WANG Xiaofei, HU Zhengyu

(College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China)

Cocoon cooking is a key step in silk making process. Under the principle of sericin swelling in cocoon cooking process, this experiment explores the influence of cooking time, adjustment time and turnover of cocoon in cocoon cooking process on weight increment and uniformity of cocoon shell. The experimental result shows that swelling of cocoon shell maximizes when cooking time is 1～2 min; when adjustment time is 40 s, water increment in cocoon shell maximizes and that in pupae minimizes. Reverse cooking of silkworm cocoon will be conducive to uniform guttation of cocoon shell, thus realizing uniform doneness of cocoon shell. This paper improves and makes new cocoon cooking machine according to the experimental result and conducts field measurement on the new cocoon cooking machine made. The result shows that new cocoon cooking process can obviously improve silk reeling performance.

cocoon cooking machine; guttation; swelling; water increment in cocoon shell

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.04.004

2014-08-24;

2014-12-17

王晓飞(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为纺织工程。

胡征宇，副教授，hzywz2005@163.com。

TS143.222

A

1001-7003(2015)04-0014-05 引用页码: 041106