酸堿處理對(duì)天蠶絲結(jié)構(gòu)與性能的影響

徐淑萍，宗亞寧

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

天蠶（Antheraea yamamai），又名山蠶或日本柞蠶，屬節(jié)肢動(dòng)物門(mén)昆蟲(chóng)綱鱗翅目天蠶蛾科天蠶種，主要分布于中國(guó)、朝鮮、韓國(guó)、日本等地.天蠶絲性能優(yōu)異，呈獨(dú)特的天然湖綠色，光澤優(yōu)美，不褪色，伸長(zhǎng)度比桑蠶絲好，被視為珍品，有“絲中之王”、“絲中鉆石”、“夢(mèng)的纖維”等美稱(chēng)［1－2］.

天蠶絲因其特有的色澤、產(chǎn)量極低以及價(jià)格昂貴等特點(diǎn)而更多地應(yīng)用于服裝的裝飾、點(diǎn)綴，具有較高的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值.天蠶絲具有良好的生物適應(yīng)性和保健功能［3］.

目前國(guó)際上對(duì)天蠶絲的研究較少，僅對(duì)天蠶絲的氨基酸組成、外觀形貌、力學(xué)性能及熱學(xué)性能進(jìn)行了一些研究［4－5］.本文主要對(duì)經(jīng)酸堿處理前后天蠶絲的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行研究，為天蠶絲應(yīng)用和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)資料.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：天蠶絲5.2dtex.

實(shí)驗(yàn)儀器：表面皿、烘箱（Y802l）、D／max－2550 PC 18kW轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀、XQ－1型纖維強(qiáng)力拉伸儀.

1.2 樣品制備與測(cè)試分析

1.2.1 酸處理

稱(chēng)取一定量的天蠶絲樣品，分別用0.1mol／L、0.5mol／L、1mol／L、2mol／L、5mol／L的鹽酸溶液處理，浴比均為1∶50，處理溫度均為30℃，處理時(shí)間均為60min，然后用蒸餾水將樣品洗凈，均在50℃的烘箱內(nèi)烘干.

1.2.2 堿處理

稱(chēng)取一定量的天蠶絲樣品，分別用0.01mol／L、0.02mol／L、0.05mol／L、0.1mol／L、0.5mol／L的氫氧化鈉溶液處理，浴比均為1∶50，處理溫度均為30℃，處理時(shí)間均為60min，然后用蒸餾水將樣品洗凈，均在50℃的烘箱內(nèi)烘干.

1.3 拉伸性能測(cè)試

將熱處理后的樣品在大氣條件（溫度20℃，相對(duì)濕度65%）下平衡24h后，在XQ－1型纖維強(qiáng)力拉伸儀上測(cè)試其拉伸性能，每組測(cè)試?yán)w維25根.拉伸隔距為10mm，拉伸速度為5mm／min，測(cè)試條件為實(shí)驗(yàn)室大氣條件（溫度20℃，相對(duì)濕度65%）.測(cè)試指標(biāo)主要為斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)、初始模量、斷裂功［6］.

1.4 結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析

將潔凈干燥的纖維樣品剪成粉末狀，置于干凈的稱(chēng)量紙上，做好標(biāo)記.用D／max－2550PC 18kW轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀測(cè)定其結(jié)構(gòu)［6］.將纖維粉末安放在玻璃樣品架上，測(cè)試條件為：Ni濾波，Cu靶Kα射線，管壓40kV，管流40mA，掃描速度2°／min，掃描角度5～60°.

2 結(jié)果分析

2.1 天蠶絲拉伸性能

天蠶絲與同屬腺分泌類(lèi)的桑蠶絲、柞蠶絲的力學(xué)性能比較如表1所示［6］.

由表1可以看出，天蠶絲的斷裂強(qiáng)度最小，桑蠶絲與柞蠶絲的斷裂強(qiáng)度基本相同；天蠶絲的斷裂伸長(zhǎng)最大，柞蠶絲的斷裂伸長(zhǎng)較大，桑蠶絲的斷裂伸長(zhǎng)最??；天蠶絲的初始模量最低，柞蠶絲的初始模量較低，桑蠶絲的初始模量最高；天蠶絲的斷裂功最大，桑蠶絲的斷裂功最小.纖維的力學(xué)性能與其化學(xué)結(jié)構(gòu)及結(jié)晶度有關(guān)，結(jié)晶度高，則斷裂強(qiáng)度較大，斷裂伸長(zhǎng)較小.

表1 天蠶絲、柞蠶絲和桑蠶絲的力學(xué)性能

用XQ－1型纖維強(qiáng)力拉伸儀對(duì)3種纖維進(jìn)行測(cè)試并計(jì)算，天蠶絲、柞蠶絲、桑蠶絲的結(jié)晶度分別為40.07%、44.9%、50.35%.可以看出，天蠶絲的結(jié)晶度是造成其拉伸性能與桑蠶絲、柞蠶絲有較大差異的主要原因.

2.2 酸堿處理對(duì)天蠶絲拉伸性能的影響

酸處理前后天蠶絲的力學(xué)性能如表2所示；堿處理前后天蠶絲的力學(xué)性能如表3所示.

表2 酸處理前后天蠶絲的力學(xué)性能

表3 堿處理前后天蠶絲的力學(xué)性能

由表2和表3可知：經(jīng)酸堿處理后，天蠶絲的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)都下降，尤其經(jīng)堿處理后，斷裂強(qiáng)度下降的更多，斷裂功降低，說(shuō)明纖維的耐疲勞性能下降.酸處理后，纖維的初始模量增加，而堿處理后，模量變化不大.這是因?yàn)樘煨Q絲經(jīng)酸堿處理后，纖維結(jié)構(gòu)變化的基本機(jī)理是不同的：在堿的作用下，不但蠶絲纖維分子間的氫鍵受到破壞，而且蛋白質(zhì)分子的酰胺鍵出現(xiàn)水解，導(dǎo)致大分子降解（先是無(wú)定形區(qū)，然后是結(jié)晶區(qū)），使纖維結(jié)晶度降低.隨著水解的進(jìn)行，纖維的結(jié)構(gòu)逐步被破壞，力學(xué)性能下降，在處理時(shí)間相同的條件下，堿的濃度越高，纖維降解越厲害；在酸的作用下，主要是蠶絲蛋白質(zhì)分子間的氫鍵被破壞，纖維降解作用不大，并且蛋白質(zhì)分子發(fā)生重結(jié)晶現(xiàn)象［7］.酸堿處理前后天蠶絲的拉伸曲線如圖1所示（因?yàn)樘煨Q絲耐堿性不好，依據(jù)堿處理后天蠶絲的力學(xué)性能，在0.5mol／L堿處理后天蠶絲的力學(xué)性能較佳；基于對(duì)等原則，酸也選擇同樣的濃度）.

圖1 酸堿處理前后的拉伸曲線圖

由圖1可以看出，纖維拉伸曲線存在較明顯的屈服點(diǎn)，屈服點(diǎn)較低，并且屈服點(diǎn)之后拉伸曲線較為平緩.這是因?yàn)榇蠓肿踊w排列不規(guī)整，無(wú)定形區(qū)比較大，纖維的橫向聯(lián)系較為松散，易被外力破壞，從而形成較低的屈服點(diǎn)；無(wú)定形區(qū)的大分子取向度較低，具有較高的拉伸變形能力，從而形成屈服點(diǎn)之后平緩的拉伸曲線.

酸堿處理同樣影響材料屈服點(diǎn)的位置：經(jīng)酸處理后，屈服點(diǎn)位置升高，屈服伸長(zhǎng)和屈服應(yīng)力增加，因?yàn)樵诶斐跗?，酸能促使纖維大分子間發(fā)生重結(jié)晶，使其模量增加，但由于大分子間氫鍵受到破壞，使得纖維斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)下降；經(jīng)堿處理后，屈服點(diǎn)位置變化較小，屈服伸長(zhǎng)和屈服應(yīng)力略有減小，纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂功均下降，尤其是斷裂強(qiáng)度下降明顯，因?yàn)轷０锋I水解效應(yīng)明顯，纖維結(jié)構(gòu)破壞較明顯［8］.

2.3 酸堿處理對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的影響

酸堿處理前后天蠶絲的衍射圖如圖2所示.

圖2 酸堿處理前后天蠶絲的衍射圖

由圖2可以看出：經(jīng)酸堿處理后，天蠶絲X衍射圖的基本形狀沒(méi)變，說(shuō)明酸堿處理后纖維的結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生本質(zhì)改變；酸處理后其衍射圖的峰變高，表明酸處理后天蠶絲的結(jié)晶度升高；堿處理后其衍射圖的峰變低，表明天蠶絲的結(jié)晶度略有下降.這是因?yàn)樗釅A處理對(duì)天蠶絲纖維結(jié)構(gòu)的作用過(guò)程不同：雖然酸堿均能破壞分子間的氫鍵作用，但是在堿的作用下氨基酸中的酰胺鍵會(huì)發(fā)生水解，結(jié)晶結(jié)構(gòu)由外向內(nèi)逐漸被破壞；而酸能促進(jìn)蠶絲蛋白質(zhì)分子的結(jié)晶，其中大分子發(fā)生重結(jié)晶，但是水解效應(yīng)不明顯.因此，在低濃度酸的作用下，天蠶絲的結(jié)晶度上升；在低濃度堿的作用下，結(jié)晶度略有下降.酸堿處理前后天蠶絲的結(jié)晶度如表4所示.

表4 酸堿處理后天蠶絲的結(jié)晶度

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)經(jīng)酸堿處理前后天蠶絲的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)的研究，得出以下結(jié)論：

（1）天蠶絲經(jīng)酸堿處理后，其斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)下降，斷裂功降低，其中堿處理后下降更多；

（2）天蠶絲經(jīng)酸處理后，初始模量增加，屈服應(yīng)力和伸長(zhǎng)增加；同濃度的堿對(duì)此影響不大；

（3）天蠶絲經(jīng)酸處理后，結(jié)晶度增加；經(jīng)堿處理后，結(jié)晶度下降.

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［6］武宜鳴，安琳，朱文俊.熱處理對(duì)天蠶絲結(jié)構(gòu)與性能的影響［J］.國(guó)際紡織導(dǎo)報(bào)，2010（1）：26－28.

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