柞蚕茧耐酸碱性能研究

余博文，肖信香，朱文清，李建强*

（1. 武汉纺织大学 纺织科学与工程学院，湖北 武汉 430073；2. 湖北枫树线业有限公司，湖北 鄂州 436000）

柞蚕茧耐酸碱性能研究

余博文1，肖信香2，朱文清2，李建强*1

（1. 武汉纺织大学 纺织科学与工程学院，湖北 武汉 430073；2. 湖北枫树线业有限公司，湖北 鄂州 436000）

用0.5m ol/L的HCL与0.5m ol/L的N aO H溶液分别处理柞蚕茧壳试样，观察处理后的现象，测试柞蚕茧的质量、强力损失率，最后通过红外光谱表征处理前后柞蚕内部的变化。实验表明：柞蚕茧壳条状试样在两种溶液中都出现了卷曲，在碱溶液还能清晰地看见许多蚕丝无规律地漂浮于溶液中；柞蚕茧壳的质量损失率差异不大，HCL溶液中为4.2%，在N aO H溶液中仅为3.3%；然而柞蚕茧壳强力损失率却比较大，在酸中损失量达到了26%，碱溶液中，柞蚕茧壳已经解体为蚕丝无法对其进行测量；酸碱处理后，柞蚕的特征峰削弱或消失了，HCL与N aO H不仅是物理性地溶解了蚕丝之间的丝胶链接，在一定程度上也与它发生了反应，从而造成结构解体、强力大量下降，在N aO H溶液中这种破坏更加明显和激烈。

柞蚕茧；酸碱处理；质量损失率；强力损失率；红外光谱

柞蚕属于野蚕，其主要由是丝胶和丝素组成，其中丝胶约占总量的 1/3，主要成分是丝素。目前，野生蚕丝除了在传统纺织品广泛使用外，在化妆品、食品、生物、医疗行业[1, 2]都有一定应用。专家关于柞蚕茧的研究主要集中在柞蚕丝的微观结构与性能的研究[3-5]，对柞蚕丝酸碱性能[6]的探索较少，特别是关于未经脱胶处理的柞蚕茧的酸碱性能的研究非常少。研究酸碱处理对柞蚕机械物理性能影响，从而探索柞蚕茧壳的耐酸碱性能，有利于更好地了解柞蚕适宜的生长环境，为柞蚕的饲养[7]和柞蚕丝的利用以及相关研究提供一定参考。

1　实验材料、仪器

实验材料：中原地区野生柞蚕茧；0.5mol/L的HCL与0.5mol/LNaOH溶液。

实验仪器：HH-4恒温水浴锅，烧杯，烘箱；NEXUS470型傅立叶红外光谱仪；万能强力仪，万能型全自动单纤物性分析仪等。

2　实验方法与分析

2.1酸碱处理柞蚕茧

2.1.1实验方法

将1×10cm的条状柞蚕茧壳（经热压处理后的）各10个样，分别放入0.5mol/L的HCL与0.5mol/L的NaOH溶液的烧杯中，由于溶液具有挥发性，所以实验过程中用锡箔纸密封烧杯，并将烧杯放在恒温水浴锅里面进行加热，时间为30min，温度为40℃。

2.1.2实验结果与分析

通过观察图1发现：酸碱处理过程中柞蚕茧颜色有变黄的趋势，碱溶液中的蚕丝同时有变暗的趋势，说明碱对蚕丝有消光的作用；HCL溶液中，柞蚕茧壳试样虽然发生了卷曲但是没有解体，无明显的蚕丝漂浮，而NaOH溶液中，柞蚕茧试样不仅有卷曲出现，还有溶解现象出现，能清晰的看见许多蚕丝无规律地漂浮于溶液中。

图1　酸（左）、碱（右）处理后柞蚕茧的状态

2.2质量损失与强力损失测试

2.2.1实验方法

为了客观表征HCL处理、NaOH处理对柞蚕茧壳的破坏程度，我们通过处理前后柞蚕茧壳质量损失率和强力损失率两个指标来定量表征。

用蒸馏水洗净酸碱处理后的柞蚕茧，在40℃的真空烘箱中烘干。

（1）将经过烘干处理的柞蚕茧壳在温度为20℃，湿度为65 %的恒温恒湿环境中静置24h后再称量，计算质量损失率；利用H10KL万能强力仪测试酸碱处理前后条状柞蚕茧壳试样的拉伸性能，并计算处理前后强力损失率。

（2）取酸碱处理后的柞蚕茧表面蚕丝，利用Textechno H.Stein生产的的万能型全自动单纤物性分析仪，在温度为20℃，湿度为65 %的恒温恒湿环境中测试其机械性能，从而进一步分析酸碱处理对柞蚕丝性能的影响。

2.2.2实验结果与分析

HCL处理、NaOH处理后柞蚕茧壳质量及强力变化如表1所示。根据测试结果计算可知，酸碱处理后柞蚕茧壳的质量损失均不明显，经酸溶液处理后的质量损失率为4.2%，碱处理后的损失率仅为3.3%，损失率差异不大；然而酸碱处理后强力损失率却比较大，在酸中损失量达到了26%，碱溶液中由于柞蚕茧壳已经解体为蚕丝无法对其进行测量。

表1　酸碱处理后条状柞蚕茧壳性能变化

在质量变损失率很小的的情况下，造成酸碱处理后拉伸断裂强力明显下降以及不同程度的下降，这有可能是柞蚕茧蚕丝中丝胶在迅速溶解，从而导至蚕丝之间链接中断而解体，因此出现了大量蚕丝漂浮的出现。

表2　酸碱处理对柞蚕丝机械性能的影响

从表2中的实验数据分析可知：酸碱处理后柞蚕茧壳解体的蚕丝机械性能没有明显的变化。HCL溶液处理后的细度损失率为1.1%左右，NaOH溶液处理后的细度损失率约为2.0%，酸碱处理对其细度的影响不大，基本可以忽略；在酸中的强度损失率仅为1.5%，在碱溶液中强度约下降7%，稍大于在酸中的损失率；由于强力=细度×强度，因此强力的变化是由前面二因素决定的，又由于野生柞蚕茧本身就存在粗细不均匀，因此细度损失率和伸长率的变化对强力的影响基本可以忽略。

总体来说酸碱处理前后柞蚕丝机械性能变化微弱，这在一定程度上说明酸碱处理对柞蚕茧壳的影响主要是对蚕丝之间链接丝胶的破坏，而对单根蚕丝的破坏比较微弱。

2.3红外表征

实验方法：将三种柞蚕茧表面浮丝剪碎成均匀粉末，采用KBr压片法制样，然后将压制好的薄片放在光路中，利用NEXUS470型傅立叶红外光谱仪进行测试。分辨率为4cm-1，扫描次数为：32次，测定范围4000~500cm-1。

实验条件：测试环境温度为20℃，湿度为65 %。

通过图2柞蚕茧红外光谱，我们可以发现：

（1）原样、HCL处理、NaOH处理，三种柞蚕茧存在很多共同特征峰。1637cm-1附近为酰胺Ⅰ，1523cm-1附近为酰胺Ⅱ，1232cm-1附近为酰胺Ⅲ，962cm-1附近为酰胺Ⅳ，这些都是属于β-折叠结构，这使得柞蚕茧具有高的结晶度。

（2）酸碱处理后697cm-1附近为酰胺Ⅴ，β-折叠结构；624cm-1附近为酰胺Ⅴ，α-螺旋结构，两个峰削弱或不存在了，而α-螺旋正是柞蚕茧的特征峰。因此，HCL与NaOH溶液都破坏了柞蚕茧的结构，NaOH的破坏更加明显和激烈。

图2　柞蚕茧的红外吸收光谱图

因此柞蚕茧壳耐酸性能好于耐碱性能。这主要是由于酸碱处理对蚕丝结构变化的基本机理有所不同：碱处理不仅使破坏了蚕丝纤维分子间的氢键，同时也会水解蛋白质分子的酰胺键，从而造成大分子降解(先是无定形区，然后是结晶区)，纤维结晶度降低。随着水解的进行，纤维结构渐渐被破坏，力学性能逐步下降，在其他条件相同的情况下，碱的浓度越高，纤维降解就越厉害；酸处理，主要破坏蚕丝蛋白质分子间的氢键，纤维降解作用不大，并且蛋白质分子有重结晶现象出现。

3　结论

（1）柞蚕茧壳条状试样在0.5mol/L的HCL溶液中，无明显的蚕丝漂浮，而在0.5mol/L的NaOH溶液中的试样不仅有变暗的趋势，还有被溶解的现象，能清晰的看见许多蚕丝无规律地漂浮于溶液中。

（2）酸碱处理后柞蚕茧条状试样，质量损失均不明显，都为4.0%左右；强力损失率比较大，在酸中损失量达到了26%，碱溶液中由于柞蚕茧壳已经解体为蚕丝无法对其进行测量；但酸碱处理对单根柞蚕丝性能影响差异却不大。

（3）通过红外光谱结果分析发现：624cm-1附近的酰胺Ⅴ，α-螺旋结构特征峰削弱或不存在了。说明，HCL与NaOH不仅是物理性地溶解了蚕丝之间的丝胶链接，在一定程度上也与它发生了反应，从而造成了结构的解体和强力的大量下降，在NaOH溶液中这种破坏更加明显和激烈。

总之，柞蚕茧壳与柞蚕丝一样耐酸性能好于耐碱性能。

[1] 毛丽．再生柞蚕丝素蛋白生物材料的制备[D]．苏州：苏州大学，2012．

[2] 刘爱莲．浅析柞蚕丝素蛋白的营养护肤功效[J]．辽宁丝绸，2003，(01)：24-26．

[3] 付成杰．柞蚕丝结构和力学性能的深入研究[D]．上海：复旦大学，2007．

[4] 胡玉琴，钟安华．超细蚕丝粉体对聚氨酯合成革透湿性的影响[J]．武汉科技学院学报，2009，(5)：10-12．

[5] Kaur J，Rajkhowa R，Tsuzuki T，et al．Photoprotection by silk cocoons[J]．Biomacromolecules，2013，14(10)：3660-3667．

[6] 徐淑萍，宗亚宁．酸碱处理对天蚕丝结构与性能的影响[J]．中原工学院学报，2012，23(4)：45-48．

[7] 于有生，张夏．提高辽宁柞蚕产量的途径[J]．辽宁丝绸，2014，(1)：3-5．

Research of A.pernyi Cocoon Shell’s Acid and Alkali Resistance Properties

YU Bo-wen1, XIAO Xin-xiang2, ZHU Wen-qing2, LI Jian-qiang1
(1. School of Textiles Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China；2. HuBei FengShu Thread Manufacturing Company Limited, EZhou Hubei 436000, China)

We treated A.pernyi cocoon shell with 0.5mol/L HCL and 0.5mol/L NaOH, observed the phenomenon, tested the loss rate of quality and strength. At last, through infrared spectral characterized A.pernyi’s changes, before and after processing. Experiment results show that: A.pernyi cocoon shell strip specimens have curled up. The loss rate of quality in HCL solution was 4.2%, in NaOH solution is only 3.3%. But the loss rate of strength in the acid solution reached 26%. A.pernyi cocoon shell can't be measured because it has disintegrated in alkaline solution. The characteristic peak of A.pernyi has been weaken or disappeared. The damage is more obvious in NaOH solution.

A.pernyi cocoon; acid and alkali treatment; the rate of mass loss; the rate of strength loss; infrared spectra

TS143.22

A

2095－414X(2015)06－0006－04

李建强（1964-），男，教授，研究方向：纺织材料与纺织品设计.