表面工程技術(shù)在桑蠶錦上的拓展與實驗

李世超 唐長波（蘇州市職業(yè)大學(xué)絲綢應(yīng)用技術(shù)研究所 江蘇蘇州215104）

表面工程技術(shù)是通過在材料表面的涂覆，表面改性以及多種表面技術(shù)的復(fù)合處理來改變材料表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)或應(yīng)力狀況，以獲得所需材料表面性能的系統(tǒng)工程。其中，被處理的材料以金屬材料為主，同時也可以是一些非金屬的材料。由于該技術(shù)能不改變材料的整體材質(zhì)而獲得自身所不具備的某些特殊性能，或者對材料實施有效的表面防護，因此，在產(chǎn)品的制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為了一種先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)[1]。本實驗運用表面工程技術(shù)原理，在桑蠶錦織物材料上進(jìn)行拓展與實驗，以實現(xiàn)對高檔絲綢裝飾類制品的有效保護。

1 實驗材料與設(shè)備

1.1 實驗材料

桑蠶錦織物：成份100%桑蠶絲，外購。

表面處理劑：水溶性成膜樹脂乳液，含固量30%，江蘇省絲綢科學(xué)研究所提供?？咕鷦篎M-2598，江蘇省絲綢科學(xué)研究所提供。標(biāo)準(zhǔn)菌株：PS-11標(biāo)準(zhǔn)青霉菌株，蘇州市職業(yè)大學(xué)微生物實驗室提供[2-3]。

查氏培養(yǎng)基:硝酸鈉2g，磷酸氫二鉀1g，氯化鉀0.5g，硫酸鎂0.5g，硫酸亞鐵0.01g，蔗糖30g，瓊脂15-20g，水1000ml，自行配制。

1.2 實驗設(shè)備

液槽、軋液滾筒（自制），E5EM型壓燙機（蘇州遠(yuǎn)東五金電器廠），日立S—4700型掃描電子顯微鏡（日本株式會社日立制作所），電子織物強力機，織物懸垂性測試儀，JB-CJ-1F型超凈工作臺（蘇州凈化設(shè)備有限公司），AutoclavoES2315型高壓滅菌鍋（上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠），ZH?WY22102型恒溫培養(yǎng)箱（長沙湘儀離心機設(shè)備有限公司），YG（B）026PC電子織物強力機（溫州市大榮紡織儀器有限公司），YG811織物懸垂性測試儀（溫州紡織儀器廠），AP-360織物透氣量測試儀（日本大榮精器所）。

2 實驗方法

2.1 實驗試件的制作

用水稀釋成膜樹脂乳液至濃度10%，再加入5%的抗菌劑形成使用液。將桑蠶錦織物小樣均勻地浸入該液中，浸漬時間共30分鐘，期間經(jīng)浸漬15分鐘后取出，用軋液滾筒在其表面輕微滾軋二次，然后經(jīng)自然干燥，再放入壓燙機中正反面壓燙各1分鐘，壓燙溫度為75℃。形成本實驗試件，備用。

2.2 電鏡掃描實驗

將桑蠶錦織物和經(jīng)制作的實驗試件分別進(jìn)行噴金處理，用掃描電子顯微鏡觀察并記錄其表面的形態(tài)，掃描電鏡放大倍數(shù)為50倍。

2.3 抗真菌霉變實驗

2.3.1 試樣準(zhǔn)備：將桑蠶錦織物和制作的實驗試件分別剪取直經(jīng)為3.8±0.5cm的圓形試樣，分成兩組備用。2.3.2 菌懸液制作：從成熟的青霉子實培養(yǎng)菌上刮削下碎屑，加入到50±1ml的無菌水和放有玻璃珠子的三角燒瓶中用力搖晃，使孢子懸浮于水中制成孢子懸液。

2.3.3 接種：將1.0±0.1ml的孢子懸液均勻地分散于瓊脂表面。

2.3.4 浸潤：圓形試樣用溶有0.05%非離子潤濕劑的水預(yù)潤濕，然后置于瓊脂表面，再用消過毒的移液管在每只圓形試樣上均勻涂布0.2±0.01ml的菌種懸液。2.3.5 培養(yǎng)與記錄：將園形試樣置于培養(yǎng)皿中，并在28±1℃條件下孵化。經(jīng)6天、9天、12天……直至15天的培養(yǎng)，觀察和記錄圓形試樣表面真菌侵蝕情況[4-5]。

2.4 強伸性實驗

將桑蠶錦織物和制作的實驗試件剪取寬度為50mm的條型試樣，在織物強力機上分別測試其斷裂強力與伸長。其中，設(shè)置隔距長度為200mm± 1mm，預(yù)制張力為200CN，拉伸速度為100mm/min[6]。

2.5 懸垂性實驗

將桑蠶錦織物和制作的實驗試件剪取直經(jīng)為240mm的圓型試樣，在織物懸垂性測試儀上分別進(jìn)行懸垂系數(shù)測試[7]。

2.6 透氣性實驗

將桑蠶錦織物和制作的實驗試件剪取試驗面積為20cm2的試樣，在織物透氣量測試儀上分別進(jìn)行透氣性測試，得到經(jīng)表面復(fù)合處理前后材料的透氣率，試驗壓降為100Pa[8]。

3 結(jié)果與討論

3.1 桑蠶錦織物材料的特性與表面處理工藝

桑蠶錦是一種用桑蠶纖維經(jīng)緯交織而成的絲綢織物材料，它采用“錦”類的組織結(jié)構(gòu)，決定了這種織物材料表面的結(jié)構(gòu)特性相對較為疏松。錦類組織結(jié)構(gòu)是由多組經(jīng)緯絲線重疊在一起通過相互交叉而形成的一種材料結(jié)構(gòu)，因而在其表面不可避免地存在著一定量的浮長絲線，以及組織正反面的沉背接結(jié)，桑蠶錦織物的組織截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 桑蠶錦組織截面結(jié)構(gòu)圖

桑蠶錦表面結(jié)構(gòu)雖然疏松，但由于絲線重疊交叉，材料自身的覆蓋因素并不低，不像有些絲綢織物材料如紗、羅等品種，在結(jié)構(gòu)上存在著較高的開放度。另外，桑蠶錦織物材料的表面有著一定量的絲線浮長，因而在材料的組織上又沒有像紡、綢類絲綢品種那樣，具有著較為穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)?？椢镞M(jìn)行表面工程處理其常規(guī)的方法是表面涂覆，即采用刮刀或輥式涂頭將表面處理劑直接在材料表面進(jìn)行刮涂或表面滾涂，通過外力使處理劑從織物的絲線孔隙中滲透到材料的背面，并充滿材料孔隙，固定住織物中絲線的交織點，從而防止絲線在織物中自由滑移，最終使織物成為一種極為封閉，硬挺與牢固的材料結(jié)構(gòu)。而桑蠶錦鑒于自身材料的表面特性以及表面處理的目的與實際用途，決定了這種表面處理的方式不能簡單地延用織物表面涂覆處理的常規(guī)方法，而應(yīng)當(dāng)采用在桑蠶錦織物材料的表面實現(xiàn)有限度地滲透，以及與其纖維有效的嚙合。也就是說在表面工程處理時，既要考慮處理劑在桑蠶錦表面滲透的有限性和嚙合的有效性，在處理劑不完全滲透到材料背面的情況下，最終在材料中的纖維表面形成良好的成膜保護，同時還不能因處理而引起桑蠶錦疏松的表面絲纖維局部滑移錯位，以破壞材料表面的結(jié)構(gòu)及原有的特性。況且桑蠶錦的這種表面處理又是在經(jīng)緯向松式的狀態(tài)下進(jìn)行的，刮刀或輥式涂頭對織物材料進(jìn)行表面刮涂或表面的滾涂處理往往難于實現(xiàn)。

本實驗采用多浸多軋的方法對桑蠶錦材料進(jìn)行表面工程處理，也就是在浸漬的過程中增加多次輕微的滾軋，首次滾軋控制在織物浸漬15分鐘之后，這樣使相對干燥的材料在處理液中能得以充分的濕潤。在有限滲透的同時，用滾軋來增加處理劑與桑蠶錦織物材料表面的有效嚙合，以及在凹凸不平的材料表面實現(xiàn)其表面處理的均勻性。由于桑蠶錦表面工程處理過程是處于一種相對無張力的松式狀態(tài)，因而處理液的粘度應(yīng)控制適當(dāng)，不能因粘度過高而造成在輕微滾軋時表面絲纖維的滑移和錯位。

圖2為桑蠶錦經(jīng)表面處理后通過電鏡掃描所得到的表面形態(tài)情況，從SEM照片中可以看到，桑蠶錦織物經(jīng)處理后，其纖維已被處理劑整體包覆，成膜情況良好。

圖2 桑蠶錦表面處理后的成膜情況

3.2 桑蠶錦表面工程處理后抗真菌性能的比較

桑蠶錦織物進(jìn)行表面工程處理，目的是要在桑蠶錦材料的纖維表面形成保護膜，阻隔真菌類微生物對桑蠶材料的侵蝕。桑蠶纖維是一種有機質(zhì)地的材料，是微生物生長所需要的微量營養(yǎng)元。所以在環(huán)境條件適宜的情況下，漂浮于空氣中的真菌就會定殖于桑蠶錦材料表面，通過吸收氧氣，迅速地生長繁殖，直到產(chǎn)生孢子與形成菌落。表面工程處理是設(shè)計了一種成膜樹脂的表面處理劑作為中間介質(zhì)體在材料表面進(jìn)行處理，通過該中間介質(zhì)既使桑蠶錦與空氣這兩個物相空間互相關(guān)聯(lián)，同時又使之隔開，阻礙真菌菌絲深入到桑蠶材料的基質(zhì)內(nèi)部，切斷生長的營養(yǎng)源，達(dá)到抑制真菌微生物的繁殖。表面工程處理使桑蠶纖維形成了一個相對封閉隔氧的小環(huán)境，在起到抵御外界微生物對內(nèi)部侵入的同時，還起到了保持內(nèi)部材料環(huán)境不受外部條件如濕度、氧氣、酸堿度等因素的影響。

如將抗菌材料設(shè)計在該成膜樹脂處理劑中，在起到阻隔作用的同時，還將進(jìn)一步地斷開菌類物質(zhì)鍵方式進(jìn)行殺菌，以單一隔絕這種被動式的抑菌轉(zhuǎn)變成既隔絕又殺菌的主動式抗菌。這時它以不可逆轉(zhuǎn)式的方式抑制微生物的生長，消滅其活體，最終導(dǎo)致其菌類細(xì)胞的死亡，實現(xiàn)良好地殺菌抑菌作用[9]。

圖3和圖4分別為未經(jīng)表面工程處理和已經(jīng)表面工程處理的桑蠶錦織物通過殖菌培養(yǎng)所拍攝的表面真菌生長圖，培養(yǎng)時間分別為6天、9天、12天和15天。

圖3 未經(jīng)處理的桑蠶錦表面真菌生長狀況

圖4 已經(jīng)處理的桑蠶錦表面真菌生長狀況

實驗結(jié)果表明，桑蠶錦織物材料在其表面形成了抗菌保護膜后，真菌無法對其進(jìn)行侵蝕，如圖4所示。實驗經(jīng)殖菌培養(yǎng)15天后，材料表面仍然清晰干凈，真菌無法在其表面生存。此外，由于保護膜本身的抗菌作用，真菌不僅在其表面無法生存，而且還只能遠(yuǎn)離該材料。實驗中當(dāng)殖菌培養(yǎng)近12天時，在培養(yǎng)皿內(nèi)邊緣區(qū)域發(fā)現(xiàn)有局部性的菌孢生長并逐步形成菌落，即圖4中培養(yǎng)皿邊緣的黑色區(qū)域所示，但可以看到這時桑蠶錦材料表面的狀況仍然是清晰干凈。

而未經(jīng)表面處理的桑蠶錦材料情況就大不相同。如圖3所示，當(dāng)殖菌培養(yǎng)6天后，織物材料表面就逐步產(chǎn)生了真菌孢子，但孢子的分布大小還較為零碎；培養(yǎng)9天后，孢子就明顯地形成了大小不一的菌落，當(dāng)培養(yǎng)到第15天時，真菌孢子所形成的菌落已幾乎完全復(fù)蓋住了材料的表面。按照《紡織品的抗真菌能力評估：紡織品抵抗霉變和腐爛能力》AATCC—30標(biāo)準(zhǔn)，這時已屬于達(dá)到了“宏觀增長”的狀況，也就是“肉眼范圍內(nèi)觀察已十分明顯”的程度。和經(jīng)處理劑處理后的桑蠶錦材料相比，可以認(rèn)為：處理后的桑蠶錦材料屬于“無增長”，其抗菌和抑制微生物生長的效果十分明顯。

3.3 表面工程處理對桑蠶錦織物材料性能的影響

桑蠶纖維是由家蠶經(jīng)人工殖養(yǎng)結(jié)繭后繅制而成的天然纖維，具有著良好的強伸性和柔軟性，是一種性能優(yōu)良的纖維材料。用該纖維制作桑蠶錦織物，其織物材料也保持著其相應(yīng)的良好特性。同時，桑蠶錦織物材料又經(jīng)表面工程處理，在其纖維表面形成了一種抗菌的保護膜，使材料的抗菌防腐性能大大提高，為桑蠶錦作為一種材料或制品用于各種高檔裝飾用途，在材質(zhì)與功能等方面提供了良好的性能。但是，織物材料表面的處理往往會使材料因表面處理劑的滲透粘結(jié)，而充滿材料的各種孔隙，固定住材料中絲線的交織點，阻礙織物中絲線的自由滑移，影響材料的伸長特性和柔軟特性，最終使織物成為一種硬挺、封閉的材料結(jié)構(gòu)，從而使材料原有的良好性能與最終實現(xiàn)抗菌防腐的功能難于兼顧。

桑蠶錦織物作為一種高檔的絲綢應(yīng)用材料與制品，表面的工程處理應(yīng)以少影響或不影響其原有的優(yōu)良性能為宗旨，特別是它良好的強伸率、柔軟性與透氣性不能因表面材料的處理而受破壞，以致使經(jīng)抗菌防腐處理后的制品失去其材料原有的優(yōu)良性能。本實驗采用處理劑在纖維表面有限度地滲透和有效地嚙合，技術(shù)上兼顧了材料原有的特性與添加的功能，經(jīng)表面工程處理使材料實現(xiàn)了防腐抗菌的目標(biāo)。

表1 材料表面工程處理前后桑蠶錦織物材料的強伸率、柔軟性與透氣性指標(biāo)的試驗情況

從表中看到，桑蠶錦經(jīng)表面工程處理后材料的斷裂強度微量變化，影響不大。而材料的斷裂伸長率得到了一定量的提高，即從表面工程處理前的16.08%提高到處理后的17.88%。它說明處理劑并沒有從材料組織的孔隙中滲透到織物的背面，固定住織物中絲線的交織點，從而阻止絲線在織物中的自由滑移。恰恰相反，這種有限的滲透與有效的嚙合僅發(fā)生在材料纖維的表面，因而它有效地潤滑了材料中的纖維，所以在外力作用下纖維間產(chǎn)生了一定量的位移，導(dǎo)致伸長率的提高。

材料的懸垂性是指材料因自重而自由下垂的性能，在一定的程度上反映了材料的柔軟程度，而懸垂系數(shù)是材料試樣在實驗中下垂部分的投影面積與其原面積之比的百分率，因此，懸垂系數(shù)越小，反映其材料越柔軟。桑蠶錦由于其自身纖維材料的柔軟，因而制成的織物也極為柔軟。從懸垂實驗的數(shù)據(jù)來看，材料下垂部分的投影面積與其原面積之比為24.5%，小于了一般紡織織物材料30%的懸垂系數(shù)量。而經(jīng)表面工程處理后的桑蠶錦織物材料其懸垂系數(shù)實測值為24.8%，僅大于處理前的0.3%，大大地小于材料懸垂性試驗方法±2%的誤差范圍?？梢哉J(rèn)為成膜樹脂乳液對桑蠶錦織物的表面處理沒有破壞整個材料的疏松結(jié)構(gòu)，整個織物材料仍然保持著良好的柔軟性能。

綜合材料的強伸性與柔軟性，可以反映出表面工程處理在增加防腐抗菌特性的前提下基本上沒有改變和破壞材料的原有功能與結(jié)構(gòu)，這在透氣性試驗上再次得到了驗證。由于常規(guī)表面處理往往會使材料變硬，透氣性大幅下降，而本實驗經(jīng)表面處理后的材料經(jīng)透氣率測試，其值僅微量下降了5.4%，理論上可以認(rèn)為織物材料中纖維之間的孔隙仍然通暢，該表面處理技術(shù)對桑蠶錦材料原有的性能影響較小。

4 結(jié)語

表面工程技術(shù)通過在材料表面的涂覆可以改變材料的表面性能以及對材料實施有效的表面防護，它不僅在金屬材料上使用，而且在非金屬材料包括紡織材料表面也可大量地應(yīng)用。由于該技術(shù)能不改變材料的整體材質(zhì)而獲得自身所不具備的某些特殊性能，因此，在產(chǎn)品的制造領(lǐng)域或產(chǎn)品的使用領(lǐng)域都是一種先進(jìn)的生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)，前景良好。

運用表面工程技術(shù)原理在桑蠶錦織物材料上進(jìn)行拓展與實驗，不僅增加了材料原有不具備的某些特性，而且合理的工藝研究和應(yīng)用，可以兼顧材料原有良好性能的持續(xù)。特別是在纖維表面采用了有限地滲透和有效地嚙合，在獲得良好抗菌防腐性能的同時，可以提高織物材料的斷裂伸長率，穩(wěn)定織物材料的強力和懸垂系數(shù)，使織物材料繼續(xù)保持良好的透氣性。

表面工程技術(shù)在桑蠶錦織物上的運用，可以通過設(shè)計中間介質(zhì)體使桑蠶材料與空氣這兩個物相空間既關(guān)聯(lián)又隔開，阻礙真菌菌絲深入桑蠶材料基質(zhì)內(nèi)部，切斷其生長的營養(yǎng)源，緩和微生物對桑蠶有機材料的侵蝕和污染。同時，將抗菌材料組合到處理劑中，在阻隔的同時進(jìn)一步地殺滅菌體，從單一的被動隔絕到既隔絕又殺菌的主動式抗菌。這種方法可應(yīng)用至桑蠶材料的裝飾制品、工藝制品、桑蠶家紡以及桑蠶工業(yè)用品等領(lǐng)域，滿足這類產(chǎn)品不洗滌或不能洗滌的使用特點，實現(xiàn)對高檔桑蠶裝飾類產(chǎn)品的有效保護。

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