广西家蚕品种7532和蓖麻蚕品种南一蚕丝拉伸性能的比较研究

罗群，黄文功，杨其保，闭立辉，甘树山

（1.广西壮族自治区蚕业技术推广站，南宁市 530007；2.广西壮族自治区蚕业科学研究院，南宁市 530007；3.贵港市蚕种场，贵港市 537122）

桑蚕丝和蓖麻蚕丝都是天然的蛋白质纤维，也是优良的高分子材料，是纺织领域重要的原材料［1-2］。蚕丝的研究和开发涉及多个行业，已经在医学、化工、生物材料、美容和食品等多个领域得到广泛的应用。迄今为止，国内外众多学者及专家分别就桑蚕丝和蓖麻蚕丝的结构及其性能之间的关系进行了不同层面的研究与探讨。HAN 等［3］和MANDAL 等［4］利用桑蚕丝优异的力学性能，以桑蚕丝为材料制造用于软组织修复的再生丝素复合支架和高强度的微米丝素纤维复合支架等。姜为青等［5］研究分析了蓖麻蚕丝的形态及微观结构，并利用蚕丝上残留的丝胶，结合超声波空化振荡均匀成膜，表明蓖麻蚕丝膜可作为一些绿色保健类产品（如面膜等接触皮肤产品）适用的材料。陈宏武等［6］将蓖麻蚕丝纤维与低熔点聚酯纤维（LPET）、镀银聚酯纤维（Ag-PET）和抗紫外天丝纤维（Tencelsun）共混形成复合材料。结果表明，该材料结构稳定，兼具防电磁和紫外线辐射、抗菌、保暖性能。

广西是全国最大的桑蚕和蓖麻蚕生产基地，桑蚕茧的年产量占全国总产量的60%以上，广西每年蓖麻蚕鲜茧产量超过70 000 kg。桑蚕茧缫丝后主要用于加工成各类织物；蓖麻蚕茧作为绢纺原料，做成的绢绸抗皱且坚固耐用。为了解桑蚕茧丝和蓖麻蚕茧丝的力学性能，以强健性夏秋用日系桑蚕品种7532 和强健性蓖麻蚕品种南一为研究材料，分析两者的拉伸性能。7532是广西蚕业技术推广站育成的强健性夏秋用日系桑蚕品种［7］，抗高温多湿性能强，综合性状优良，是全国应用最广泛的夏秋用强健性日系基础品种，也是广西目前当家品种两广二号的亲本之一。南一是广西蚕业技术推广站育成的强健性蓖麻蚕品种［8］，抗逆性强，综合性能优，是广西目前饲养量最大的一代杂交种亲本之一。两个品种均为强健性品种，尚未进行过茧丝力学性能对比测试。通过测试两种茧丝的断裂强力及断裂伸长率这两项反映纤维力学性能的重要指标，掌握其茧丝力学性能的差异并分析茧丝负荷和伸长率变化的关系，为有效利用各种蚕丝纤维的固有特性，充分发挥其性能优势提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料和设备

试供蚕丝为桑蚕品种7532和蓖麻蚕品种南一的茧丝，两个品种均于2020 年夏季在广西蚕业技术推广站蚕室饲养。蚕茧预处理工具为剪刀、镊子、卡片纸、粘胶、烧杯，设备为金坛市医疗仪器厂生产的HH—S2 号数显恒温水浴锅以及课题组研发的数控缫丝机及设备等。测试蚕丝的设备为XQ-2 纤维强伸度仪，由上海新纤仪器有限公司生产。

1.2 试验方法

桑蚕品种7532 和蓖麻蚕品种南一于2020 年夏季在广西蚕业技术推广站蚕室饲养。饲养环境温度为27～29 ℃，相对湿度75%～85%，采用一日三回育，良桑饱食。熟蚕用方格蔟上蔟营茧。化蛹后72 h采茧，随机抽取7532 和南一各4 粒健康样茧转至实验室备测。设置测试室温度（20±2）℃、相对湿度约65%［9-10］。将样茧置于95 ℃水浴锅中浸泡5～10 min，再投入65 ℃水浴锅中搅拌1～2 min 后捞起［11］。样茧用数控缫丝设备逐粒以1 m/s 的速度在90 ℃以上高温汤中浮缫，每间隔20～30 m截取8 cm左右的样丝，每粒茧截取样丝15 个。将所取样丝的两端用粘胶排列固定在卡片纸上，样丝保持一定的松弛度，静置24 h 干燥。将所有样丝用XQ-2 纤维强伸度仪及其配套系统测量茧丝断裂强力、断裂伸长率。设置夹持距离为10 mm，拉伸速度为10 mm/min，配重0.1 cN的预张力［12］。

2 测试结果

2.1 桑蚕品种7532蚕丝测试结果

桑蚕品种7532的60个样丝的断裂强力为4.60～8.78 cN，断裂伸长率为19.60%～35.30%，整体趋势为丝的断裂强力越大，断裂伸长率越大（表1）。

表1 7532桑蚕样丝的断裂强力及断裂伸长率

4 粒桑蚕样茧的蚕丝负荷—伸长率特性曲线图形特征较为一致，断裂伸长率的值较为离散。蚕丝拉伸至2%左右出现屈服点，从开始拉伸至断裂，强力与伸长率呈正相关（图1）。

图1 桑蚕丝的负荷—伸长率特性曲线

2.2 蓖麻蚕品种南一蚕丝测试结果

蓖麻蚕品种南一的60个样丝的断裂强力为9.17～14.43 cN，断裂伸长率为34.20%～50.30%，整体趋势为丝的断裂强力越大，断裂伸长率越大（表2）。

表2 蓖麻蚕南一样丝的断裂强力及断裂伸长率

续表2

蓖麻蚕4粒样茧的蚕丝负荷—伸长率特性曲线图形特征较为一致，样茧2和样茧3的断裂伸长率值较为离散，样茧1和样茧4则较为集中（图2）。蓖麻蚕丝拉伸至2%左右出现第1个屈服点，拉伸至7%左右出现第2个屈服点，两个屈服点之间随着伸长率的增加，拉伸负荷呈稳定不变状态。在出现第2 个屈服点之后，随着伸长率的增加，拉伸负荷曲线呈线性走势。第1个屈服点至第2个屈服点之间的曲线走势与桑蚕丝有显著区别。

图2 蓖麻蚕丝负荷—伸长率特性曲线

3 分析与讨论

3.1 方差分析

桑蚕丝、蓖麻蚕丝断裂强力均值分别为6.56 cN、11.09 cN，蓖麻蚕丝检测到的极小值为9.17 cN，高于桑蚕丝检测到的极大值8.78 cN。桑蚕丝断裂强力的标准差为0.86，低于蓖麻蚕丝的1.14，桑蚕丝断裂强力的离散程度低于蓖麻蚕丝。桑蚕丝、蓖麻蚕丝的断裂伸长率均值分别为27.65%、42.19%，两者的标准差分别为4.12和3.43，蓖麻蚕丝断裂伸长率的离散程度低于桑蚕丝（表3）。从表4可以看出，桑蚕丝和蓖麻蚕丝断裂强力方差检验得出F=603.056，对应的显著性为0，小于显著性水平0.05，桑蚕丝和蓖麻蚕丝的断裂强力存在显著差异。桑蚕丝和蓖麻蚕丝断裂伸长率方差检验得出F=442.577，对应的显著性为0，小于显著性水平0.05，桑蚕丝和蓖麻蚕丝的断裂伸长率存在显著差异。桑蚕丝与蓖麻蚕丝断裂强力及断裂伸长率对比情况如图3所示。

表3 各指标统计量

表4 方差分析

图3 桑蚕丝与蓖麻蚕丝断裂强力及断裂伸长率对比

3.2 讨论

蚕丝的拉伸性能受蚕丝纤维内部结构、蚕品种、茧丝的生产环境及取样部位、检测环境条件、检测方式等多个方面因素的影响。桑蚕丝和蓖麻蚕丝两种不同类的蚕丝形态结构不同，截面粗细、大分子和超分子结构不同，纤维中存在的细小裂缝、孔洞等缺陷会引起应力分布不均。丝素内部由结晶区和非结晶区2个部分组成。结晶区非极性基团较多，化学性质稳定，分子间结合力强，排列整齐、紧密，抵抗外部拉伸能力强，使得纤维的强力增大；非结晶区极性基团多，化学性质不稳定，分子间结合力弱，肽链排列不规则、不整齐，有弯曲和缠结，易变形，纤维在该区域有较大的伸长率。纤维的断裂易发生在非结晶区，因此非结晶区的结构对纤维伸长率的影响较大。不同纤维的拉伸性能都是结晶区和非结晶区适当配合、大分子及超分子间相互作用产生的结果。蓖麻蚕茧丝蛋白的结晶度为44.07%，高于家蚕31.78%的结晶度［13］。结晶度越高，所占纤维的百分比越大，分子间有较多坚固连接点，纤维的拉伸强度会相应增大。其结论与本试验结果一致。

从广西家蚕品种7532和蓖麻蚕品种南一蚕丝的负荷—伸长率特性曲线图可以看出，两者曲线走势不同，主要体现在伸长率10%以下的范围内。蚕丝拉伸初期，纤维中的大分子之间连接键的伸长变形需要较大的外力，模量升高，至屈服点后，纤维中的大分子的空间结构开始发生改变，取蓖麻蚕丝伸长率在2%～10%之间的拉伸负荷值做方差分析。结果显示，伸长率在3%～7%之间的拉伸负荷显著性大于0.05，伸长率之间的多重比较（LSD）差异不显著。伸长率在5%左右的拉伸负荷均值低于4%的拉伸负荷均值。产生这一现象是因为原先存在于大分子内部或大分子之间的氢键开始断裂，使结晶区的大分子发生滑移而产生变形，蓖麻蚕丝这个阶段的变形比桑蚕丝更为显著。这一阶段过后，滑移的大分子平行伸直，相邻大分子互相靠拢使横向结合力增加，形成新的结合键，模量再次升高直至结合键断裂，纤维断裂。因此，桑蚕丝和蓖麻蚕丝显示出不同的拉伸特性曲线和不同的强力和伸长率。

除茧丝自身条件以外，样品的预处理方式、试验方法及检测环境等因素对蚕丝的拉伸性能也有较大的影响。通常情况下，温度和相对湿度越高，蚕丝的拉伸强度下降，断裂伸长率增大；拉伸速度越大，强力越大，伸长率也随之发生变化；试样长度增加，平均强力降低［14］。桑蚕丝和蓖麻蚕丝两种茧丝本身结构存在差异，在检测环境条件和检测方式相同的情况下，测试结果的优劣偏向于其中一种纤维。同时两种茧的丝胶及成分含量有差别，本试验的茧丝样品用水浴脱胶，丝胶不能彻底去除，蚕丝表面残留有结晶物会对试验结果造成一定的影响［15］。在桑蚕茧及其茧丝和生丝的机械性能研究中发现，用桑蚕茧缫制的生丝其机械性能与桑蚕茧丝存在很大差异。

目前，本研究对于蚕的吐丝机理、营茧的微观动态及蚕丝纤维结构优良性能的形成过程并没有加以阐释清楚，桑蚕丝和蓖麻蚕丝的拉伸性能仍需要测试更多的品种来验证。蚕丝是一个组分非常复杂的蛋白质复合体，深入研究桑蚕丝和蓖麻蚕丝蛋白的组成及其分子机制，将有助于全面改进和提高茧丝的机械性能，创造新型蚕丝产品。