木薯蚕丝结构与性能表征

杨莹莹， 吕智宁， 田 伟， 祝成炎

(浙江理工大学 纺织纤维材料与加工技术国家地方联合工程实验室， 浙江 杭州 310018)

木薯蚕丝结构与性能表征

杨莹莹， 吕智宁， 田 伟， 祝成炎

(浙江理工大学 纺织纤维材料与加工技术国家地方联合工程实验室， 浙江 杭州 310018)

为研究木薯蚕丝的结构和性能，采用扫描电镜、红外光谱、X射线衍射、力学性能等仪器与测试方法对桑蚕丝、柞蚕丝及木薯蚕丝的结构和性能进行对比研究。结果表明：木薯蚕丝的形貌结构与柞蚕丝相似，木薯蚕丝表面有纵向的条纹及块状或颗粒状的结晶物，横截面面积较大且扁平，而桑蚕丝表面光滑，横截面较圆整；木薯蚕丝与柞蚕丝中存在Ala-Ala-Ala结构，而桑蚕丝不存在，可利用特征吸收峰区分不同品种蚕丝；木薯蚕丝既有α-螺旋结构，又有β-折叠结构，并以β-折叠结构为主，显示出了高度的结晶β-折叠结构；桑蚕丝、柞蚕丝、木薯蚕丝的线密度分别为3.13、6.13 、4.18 dtex；木薯蚕丝的断裂强度、断裂伸长率均高于桑蚕丝，与柞蚕丝接近，具有优异的力学性能。

桑蚕丝； 柞蚕丝； 木薯蚕丝； 结构； 性能

蚕是一种能吐丝结茧的昆虫，主要品种有桑蚕、柞蚕、天蚕、蓖麻蚕等，木薯蚕是以木薯叶为饲料饲养的蓖麻蚕[1]。1956年，人们成功利用木薯叶饲养蓖麻蚕，解决了蓖麻蚕饲料不足的问题，木薯蚕饲养已广泛推广于广东、广西、福建、安徽等地[2]。其中，广西木薯种植面积占全国的60%以上，每年可生产茧皮300多吨，但由于化纤的兴起及国内绢丝市场不景气等因素，我国木薯蚕的发展经历2度衰退[3-4]。近年来，人们开始追求绿色健康时尚的纺织用品，因木薯蚕丝可纺性好，疵点少，织成的绢绸绸面清晰，手感柔软平挺，具有独特的风格[5]，在国内外市场深受消费者的喜爱，市场发展潜力巨大。

目前我国用作纺织原料的蚕丝主要有桑蚕丝和柞蚕丝，木薯蚕丝仅有少量被用来拉制蚕丝被，造成了资源的极大浪费。究其原因一方面是我国木薯蚕茧皮供应量不稳定，另一方面是由于对木薯蚕丝的系统研究较少。国内外众多学者对桑蚕丝和柞蚕丝的结构与性能研究已取得了显著的成果，但对木薯蚕丝的研究鲜有报道[6-8]。为进一步了解木薯蚕丝的结构与性能，提高木薯蚕丝的资源利用率，本文利用扫描电镜、红外光谱、X射线衍射等测试方法，对桑蚕丝、柞蚕丝、木薯蚕丝的宏、微观形貌结构聚集态结构和力学性能等进行了系统性研究，为后续木薯蚕丝纺纱、织造等工艺过程的顺利进行及获得高品质丝绸面料提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

桑蚕茧、柞蚕茧(海盐金溢绢纺有限责任公司)、木薯蚕茧(丹东边境经济合作区宝力实业有限公司)。

1.2 实验仪器

OLYMPUS VANOX AHB-K1型万能显微镜(日本OLYMPUS)，TM3000型扫描电子显微镜(日本日立)，JFC-1600型粒子放射仪(JEOL公司)，VERTEX 70型傅里叶变换红外光谱仪(PERKIN ELMER)，769YP-15A型手动粉末压片机(天津市科器高新技术公司)，ARL XTRA型X射线衍射仪(THERMO ARL)，XD-1型纤维线密度仪(上海利浦应用科学技术研究所)，XQ-2型纤维强伸度仪(莱州市电子仪器有限公司)。

1.3 实验方法

1.3.1 形貌观察

采用万能显微镜和日本扫描电子显微镜对3种蚕丝的纵向及横截面进行观察，采用显微粒度分析仪软件测量茧丝长、短径以及截面积的尺寸(每种样品均随机选择50根茧丝)，根据下式计算茧丝的扁平度(M)。

式中：a为茧丝的长径，μm；b为茧丝的短径，μm。

1.3.2 红外光谱测试

利用纤维切片器分别制得试样粉末，与溴化钾混合后再制成溴化钾压片，在VERTEX 70型傅里叶变换红外光谱仪上进行测试，得到3种蚕丝的红外吸收光谱图。

1.3.3 结晶结构测试

采用ARL XTRA型X射线衍射仪测定3种蚕丝的X射线图谱，测试条件为：Ni滤波，Cu靶面Kα射线，管电压为4.0 kV，管电流为35 mA，扫描速度为2(°)/min，2θ在5°～50°范围内进行。

1.3.4 线密度测定

按照GB/T 16256—2008 《纺织纤维 线密度试验方法 振动仪法》，利用XD-1纤维线密度仪测定3种蚕丝的线密度，每个试样测50次。

1.3.5 力学性能测试

利用XQ-2型纤维强伸度仪，分别测定了3种蚕丝的力学性能。测试条件为：拉伸速度200 mm/min；伸长范围100%；隔距20 mm；预加张力0.05 cN/dtex；每个试样测20次。

2 结果与讨论

2.1 木薯蚕丝的形貌结构

图1示出3种蚕丝的光学显微镜图片。从图中可看出，桑蚕丝表面较光滑，横截面为不规则锐角三角形或钝角三角形，柞蚕丝表面存在纵向条纹，横截面呈扁平的椭圆形，线密度均匀性差，表面有凸节，而木薯蚕丝表面存在大量纵向条纹，截面形状为不规则的钝三角形或扁平状，蚕丝的中央麻点较明显。与桑蚕丝、柞蚕丝相比，木薯蚕丝表面存在较多的纵向条纹，横截面为扁平的椭圆形。

为进一步分析3种蚕丝的微观形貌结构，采用扫描电镜观察了3种蚕丝的表面和横截面，如图2所示。由图可见，木薯蚕丝的表面和横截面形貌与柞蚕丝相似，木薯蚕丝与柞蚕丝的表面均存在纵向的凹槽，木薯蚕丝的较明显，2种蚕丝表面有许多块状、颗粒状的结晶物，横截面形状为不规则的钝三角形或扁平状，而桑蚕丝的表面光滑，细度细，横截面呈三角形。

根据扫描电镜图照片，利用Image Pro Plus对不同蚕丝的细度、扁平度、截面积等指标进行表征，其结果如表1所示。

从表1可看出，3种蚕丝表面细度的值从大到小依次排列为：柞蚕丝>木薯蚕丝>桑蚕丝。蚕丝扁平度为短径与长径的比值，由此可知，扁平度的值越小则表示茧丝越扁平，从表中可知3种蚕丝扁平度的值从大到小依次排列为：桑蚕丝>柞蚕丝>木薯蚕丝，即桑蚕丝最饱满，其次为柞蚕丝，木薯蚕丝最扁平；柞蚕丝的截面积最大，木薯蚕丝的截面积与柞蚕丝相近，本文实验测得桑蚕丝的平均截面积是155.26 μm2。在3种蚕丝中，桑蚕丝细度较细，纤维较圆整，柞蚕丝与木薯蚕丝细度较粗且扁平，这与蚕的生活环境、绢丝腺的结构等因素有关[9]，纤维的截面形状及表面影响蚕丝的手感及风格，木薯蚕丝横截面较扁平且存在凹槽，使得纤维表面的反射光较弱，纤维光泽度弱于桑蚕丝。

图1 不同蚕丝的光学显微镜照片Fig.1 Optical microphotographs of different cocoon silk. (a) Longitudinal morphology of mulberry silk; (b) Cross section morphology of mulberry silk; (c) Longitudinal morphology of tussah silk;(d) Cross section morphology of tussah silk;(e) Longitudinal morphology of cassava silk; (f) Cross section morphology of cassava silk

图2 不同种类蚕丝的扫描电镜照片Fig.2 SEM images of different cocoon silk. (a) Longitudinal morphology of mulberry silk; (b) Cross section morphology of mulberry silk; (c) Longitudinal morphology of tussah silk;(d) Cross section morphology of tussah silk;(e) Longitudinal morphology of cassava silk; (f) Cross section morphology of cassava silk

样品名称表面细度/μm长径/μm短径/μm扁平度截面积/μm2桑蚕丝960116181107115526柞蚕丝2030324990602848641木薯蚕丝1872312482002746883

2.2 红外光谱分析

图3示出3种蚕丝的傅里叶变换红外光谱图。从图中可看出，3种蚕丝的红外光谱图相似，木薯蚕丝的吸收峰更接近于柞蚕丝。3种蚕丝在3 291(蛋白质分子N—H的伸缩振动)、1 514(酰胺Ⅱα-螺旋结构)、1 445(C—H基团的变形振动)、1 229(酰胺Ⅲβ-折叠结构)、1 162(酰胺Ⅲβ-折叠结构)、1 068、697 cm-1(酰胺Ⅴβ-折叠结构)附近都有特征吸收峰。不同的是桑蚕丝、柞蚕丝在1649 cm-1处(无规卷曲)，木薯蚕丝在1627 cm-1处(酰胺Ⅰβ-折叠结构)有特征吸收峰；桑蚕丝在997、975 cm-1处有2处吸收峰，为Ala-Gly-Ala的特征吸收，柞蚕丝、木薯蚕丝在964 cm-1处(酰胺Ⅱβ-折叠结构)有1处吸收峰，为Ala-Ala-Ala的特征吸收峰[10]；桑蚕丝在645 cm-1处(无规卷曲)有1个微弱的吸收峰，柞蚕丝、木薯蚕丝在621 cm-1(酰胺Ⅴα-螺旋结构)处有吸收峰，桑蚕丝在552 cm-1处出现特有吸收峰，木薯蚕丝在1317、781、517 cm-1处出现特有吸收峰，可根据不同蚕丝的特有吸收峰作为区分不同蚕丝的依据。

图3 不同蚕丝的红外光谱图Fig.3 FT-IR spectra of different cocoon silk

2.3 结晶性能分析

对3种蚕丝进行X射线衍射分析，结果如图4所示。其中 11.8°、22.0°附近为α-螺旋结构的衍射峰，16.5°、20.2°、24.9°、30.90°、34.59°附近为β-折叠结构的衍射峰。由图4可看出，桑蚕丝在20.51°处有1个很强的衍射峰，柞蚕丝、木薯蚕丝分别在16.33°、20.30°处和16.92°、20.14°处有2个较强的衍射峰，在24.04°、32.34°处和24.19°、30.15°处分别有2个微弱的峰，桑蚕丝在9.20°处有1个微弱的峰。X射线衍射图谱显示，3种蚕丝既有α-螺旋结构，又有β-折叠结构，并以β-折叠结构为主，显示出了高度结晶的β-折叠结构，且木薯蚕丝与柞蚕丝的结晶结构相似。

图4 不同蚕丝X射线衍射图谱Fig.4 XRD spectras of different cocoon silk

2.4 蚕丝线密度分析

3种蚕丝的平均线密度、变异系数如表2所示。由表可见，3种蚕丝中柞蚕丝的线密度最大，达到6.13 dtex，木薯蚕丝的线密度比桑蚕丝稍大，为4.18 dtex，但变异系数最大，说明木薯蚕丝线密度偏差大。这是因为不同茧层茧丝的粗细差异大，造成蚕丝线密度测量变异系数较大。根据蚕丝截面积与线密度结果可知，蚕丝的线密度与横截面面积有关，横截面面积越大，蚕丝的线密度越大，但横截面面积与线密度的值并不成正比，这是受蚕丝纤维内部空隙的影响，且木薯蚕丝的线密度与柞蚕丝相差较大，说明木薯蚕丝纤维内部空隙较柞蚕丝多。

表2 不同蚕丝的平均线密度和变异系数

2.5 蚕丝的力学性能分析

不同蚕丝的力学性能测试结果如表3所示。由表可见，在3种蚕丝中，断裂强度的值从大到小依次排列为：柞蚕丝>木薯蚕丝>桑蚕丝，即柞蚕丝拉伸到断裂时所需的强力最大，其次为木薯蚕丝，桑蚕丝最小；木薯蚕丝的断裂伸长率最大，桑蚕丝最小，柞蚕丝介于两者之间；木薯蚕丝与柞蚕丝的初始模量均大于桑蚕丝。

表3 不同蚕丝的拉伸实验结果

蚕丝的力学性能受纤维的几何形态、结构等因素的影响，木薯蚕丝的截面形貌、线密度及结晶结构与柞蚕丝相似，因而木薯蚕丝的力学性能与柞蚕丝相似。经对比可发现，木薯蚕丝具有较高的断裂强度、断裂伸长率和初始模量，具有良好的力学性能，是优良的纺织原料。

3 结 论

木薯蚕丝的微观形貌与柞蚕丝相似，表面有纵向的条纹及大量块状或颗粒状的结晶物，横截面较扁平，原纤排列较疏松，这些是导致木薯蚕丝风格较粗犷的原因；木薯蚕丝在958 cm-1处有特征吸收峰，在1 313 cm-1处有一个特有的吸收峰，可用来作为区分的依据；木薯蚕丝的结晶结构与柞蚕丝相似，既有α-螺旋结构，也有β-折叠结构；木薯蚕丝的线密度介于桑蚕丝与柞蚕丝之间，纤维内部有大量的空隙，木薯蚕丝的断裂强度及断裂伸长率与柞蚕丝接近，具有优于桑蚕丝的力学性能。

作为天然的纺织原料，木薯蚕丝具有特殊的光泽及物理机械性能，其制品有着不同于桑蚕丝的特殊风格。开发利用木薯蚕丝，不仅能提高木薯蚕的资源利用率，还可增加蚕丝织物品种，满足人们对自然、绿色、时尚纺织品的追求，具有重要的实际应用价值。

FZXB

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Structure and properties of cassava silk

YANG Yingying, LÜ Zhining, TIAN Wei, ZHU Chengyan

(NationalEngineeringLabforTextileFiberMaterialsandProcessingTechnology,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

To study the structure and properties of cassava silk, the structure and properties of mulberry silk, tussah silk and cassava silk were compared by using scanning electron microscope, Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction, mechanical properties test and other test methods. The results show that the morphology structure of cassava silk is similar to tussah silk, and the surface of cassava silk has longitudinal stripes and blocks or granular crystals, and cross section thereof is relatively large and flat, while the surface of mulberry silk is smooth, and its cross section is round, cassava silk and tussah silk have Ala-Ala-Ala structure, but mulberry silk does not have the structure, thus characteristic absorption peaks can be utilized to identify different types of silk; cassava silk has α-helical structure as well as β-sheet structure, which is mainly composed of β-sheet structure of high crystallinity; mulberry silk, tussah silk and cassava silk have line density of 3.13, 6.13 and 4.18 dtex, respectively; and the breaking strength and elongation at break of cassava silk are higher than those of mulberry silk, but near to those of tussah silk, and cassava silk has mechanical properties superior to mulberry silk.

mulberry silk; tussah silk; cassava silk; structure; property

10.13475/j.fzxb.20160703205

2016-07-12

2016-12-14

国家国际科技合作专项项目(2011DFB51570)；优秀研究生学位论文培育基金项目(11110932271612)

杨莹莹(1991—)，女，硕士生。主要研究方向为蚕丝产品开发。祝成炎，通信作者，E-mail: cyzhu@zstu.edu.cn。

TS 102.3

A