蒸煮、調(diào)整時(shí)間對(duì)繭層增重的影響及新型煮繭機(jī)的改良

王曉飛， 胡征宇

(蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

研究與技術(shù)

蒸煮、調(diào)整時(shí)間對(duì)繭層增重的影響及新型煮繭機(jī)的改良

王曉飛， 胡征宇

(蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

煮繭是制絲工藝中的關(guān)鍵步驟。從煮繭過(guò)程中絲膠膨潤(rùn)原理出發(fā)，探究煮繭工藝過(guò)程中蒸煮時(shí)間、調(diào)整時(shí)間和繭子是否翻面對(duì)繭層增重及均勻性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：蒸煮時(shí)間為1～2 min時(shí)，繭層膨潤(rùn)達(dá)到最大；調(diào)整時(shí)間為40 s時(shí)，繭層水增量最大而蛹體水增量最小。在蒸煮過(guò)程中，將蠶繭翻面蒸煮將有利于繭層均勻吐水，使得繭層煮熟程度均勻一致。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果改良制備了新型煮繭機(jī)，并對(duì)研制的新型煮繭機(jī)進(jìn)行實(shí)地評(píng)測(cè)，結(jié)果表明新型煮繭工藝對(duì)繅絲成績(jī)有明顯提高。

煮繭機(jī)； 吐水； 膨潤(rùn)； 繭層水增量

煮繭是制絲工藝中的關(guān)鍵步驟，煮熟繭的繭質(zhì)與繅絲產(chǎn)量、質(zhì)量、繅折等都息息相關(guān)。為了滿足現(xiàn)代自動(dòng)繅絲的需求，煮熟繭必須達(dá)到下列要求：1)解舒良好，緒絲少；2)煮熟程度適當(dāng)，減少颣節(jié)，提高生絲潔凈度；3)防止產(chǎn)生癟繭[1]。煮繭過(guò)程中伴隨著絲膠由干膠到溶膠再到凝膠的轉(zhuǎn)變，因此改變工藝控制絲膠最佳膨潤(rùn)狀態(tài)是煮繭關(guān)鍵所在[2]。而傳統(tǒng)的煮繭工藝中存在缺陷，導(dǎo)致重滲透、高溫偏熟、程度不均，從而影響繭質(zhì)[3-5]。為了改善上述存在的問(wèn)題，從絲膠膨潤(rùn)、溶失理論出發(fā)，研制新型煮繭機(jī)，合理配置各部段工藝，達(dá)到了繭絲解舒率提高，絲膠膨潤(rùn)充分，減少絲故障數(shù)，提高潔凈的作用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及儀器

材料：蠶繭(廣西桂合靈山廠)，紅墨水，膠棉液(化學(xué)純，上海燙金材料廠)。

儀器：真空滲透缸(自組裝)，ALC系列電子天平(北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)，HH-420系列恒溫水浴鍋(上海一科儀器制造有限公司)，DHG-9076A型恒溫烘箱(上海精紅試驗(yàn)設(shè)備有限公司)，溫度計(jì)，老式煮繭機(jī)(廣西靈山廠在用的104籠煮繭機(jī))，新煮繭機(jī)(自行研發(fā)的98籠?+V型煮繭機(jī))。

1.2 方 法

煮繭是在水、熱和助劑的作用下，一定時(shí)間后使繭絲外圍絲膠適當(dāng)膨潤(rùn)溶解，減弱絲膠粒子間結(jié)合力，使其膠著力降低，膠著不勻改善，便于繅絲時(shí)繭絲能被連續(xù)、依次、快速地離解，并集束抱合成生絲[1]。煮繭包括滲透、蒸煮、調(diào)整三大過(guò)程，而絲膠的膨潤(rùn)和溶解主要發(fā)生在蒸煮和調(diào)整過(guò)程[6]，因此本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)絲膠膨潤(rùn)過(guò)程的研究，確定煮繭過(guò)程中最佳蒸煮和調(diào)整時(shí)間，并證明雙面蒸煮對(duì)均勻吐水的影響，然后以此為理論指導(dǎo)制備新型煮繭機(jī)。

1)選出50只質(zhì)量差異較小的蠶繭，剝?nèi)ダO衣，編號(hào)1～50，稱重。750 kPa真空滲透之后，稱重。將滲透好的蠶繭分為五組，待水煮沸后，將蠶繭放入鍋中的蒸屜中，分別蒸煮時(shí)間為0、1、2、3 min和4 min。蒸煮完畢后，分別稱重，并將蠶繭剖開(kāi)，稱其繭層和蛹體質(zhì)量。將繭層及蛹體置于30 ℃恒溫干燥機(jī)中干燥后，稱重。

2)選取50只質(zhì)量差異較小的蠶繭，真空滲透方法同上，蒸煮2 min。之后將蠶繭分為5組，每組10只。模擬調(diào)整部1段，在沸水中分別煮20、40、60、80 s和100 s之后稱重，并且將蠶繭剖開(kāi)，稱其繭層和蛹體質(zhì)量。將繭層及蛹體置于30 ℃恒溫干燥機(jī)中干燥后，稱重。

3)挑選20只大小一致的蠶繭，用針管注射器向干繭中注入紅墨水，然后用膠棉液黏住孔眼位置。之后分為A、B兩組，A組在蒸煮過(guò)程中不翻面，B組在蒸煮過(guò)程中翻面，蒸煮結(jié)束后，剖開(kāi)蠶繭觀察現(xiàn)象。

4)新老煮繭機(jī)生產(chǎn)成績(jī)對(duì)比主要指標(biāo)有煮熟繭繅絲對(duì)應(yīng)繅絲機(jī)車(chē)速、萬(wàn)米颣吊、潔凈等。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸煮時(shí)間對(duì)繭層增重的影響

高分子物質(zhì)與適當(dāng)?shù)囊后w接觸時(shí)，會(huì)自動(dòng)地吸收液體而膨脹變軟，這個(gè)過(guò)程稱為膨潤(rùn)。膨潤(rùn)分有限膨潤(rùn)和無(wú)限膨潤(rùn)。絲膠是一種高分子物質(zhì)，它在熱水中可以通過(guò)無(wú)限膨潤(rùn)至溶解。煮繭過(guò)程中，絲膠得到充分的膨潤(rùn)，有利于繭絲順次離解，減少颣節(jié)；而膨潤(rùn)過(guò)度造成絲膠溶失，影響生絲繅折同時(shí)易產(chǎn)生大颣，繼而造成繅絲故障。因此，使絲膠充分膨潤(rùn)同時(shí)盡量減少溶失，是煮繭的關(guān)鍵。

圖1為蠶繭各變量隨蒸煮時(shí)間的變化情況。其中，吐水量=滲透后全繭的質(zhì)量-蒸煮后全繭的質(zhì)量；蛹體水增量=蒸煮后蛹體質(zhì)量-干蛹質(zhì)量；繭層水增量=蒸煮后繭層的質(zhì)量-繭層干重；繭腔剩余水量=滲透后全繭的質(zhì)量-蒸煮后繭層質(zhì)量-吐水量-蒸煮后蛹體質(zhì)量。

圖1 蠶繭各變量隨蒸煮時(shí)間的變化Fig.1 Changes of each variable of cocoon with cooking time

蒸煮中，吐水量的多少是給予繭層水分的多少，要使繭層絲膠膨潤(rùn)，必須給予一定量的水，給水的同時(shí)絲膠也產(chǎn)生溶失[7]。因此，為使繭層絲膠膨潤(rùn)達(dá)到最大值，必須研究繭層水增量。繭層水增量是蒸煮后繭層的質(zhì)量與繭層干重的差值(為了減少誤差，干重是烘干后繭層的質(zhì)量乘以(100+11)%，此處的11%是生絲的公定回潮率)，值越大表示絲膠膨潤(rùn)越充分。從圖1可以看出，蠶繭在蒸煮2 min后吐水量達(dá)到最大，雖然3 min時(shí)吐水量也很大，然而3 min吐的水是包含2 min時(shí)吐的水在內(nèi)的；繭層膨潤(rùn)在2 min時(shí)達(dá)到最大。3 min的繭腔剩余水量比2 min少，但是繭層水增量卻減小，說(shuō)明3 min的繭腔剩余水量不能再使絲膠膨潤(rùn)，相反，會(huì)帶走溶失的絲膠。因此，2 min前的吐水量在使絲膠膨潤(rùn)增大中起主導(dǎo)作用，2 min后雖然也有膨潤(rùn)但絲膠溶失起主導(dǎo)作用，故最佳蒸煮時(shí)間在1～2 min。

2.2 調(diào)整時(shí)間對(duì)繭層增重的影響

煮繭過(guò)程中，絲膠溶失主要在調(diào)整部，特別是調(diào)整部1段入口高溫區(qū)域。絲膠溶失多少，不僅影響繅折，而且和解舒、繅絲故障、索緒效率、潔凈成績(jī)等有關(guān)。因此，蠶繭經(jīng)過(guò)調(diào)整部1段的時(shí)間在煮繭機(jī)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。膠體膨潤(rùn)如下式所示：

ds/dt=K膨(Smax-S)

式中：K膨?yàn)榕驖?rùn)系數(shù)，Smax為最大膨潤(rùn)度，S為瞬時(shí)膨潤(rùn)度。

影響膨潤(rùn)系數(shù)的三大外因是溶劑、溫度、pH值[1]。由此可知pH值對(duì)絲膠的膨潤(rùn)溶解影響很大，在絲膠等電點(diǎn)時(shí)，膨潤(rùn)和溶解度影響最小。煮繭過(guò)程中，隨著水分進(jìn)入繭腔，蛹體吸水產(chǎn)生蛹酸，從而改變繭層內(nèi)部pH值，使繭層內(nèi)外膨潤(rùn)不均一，影響繭絲質(zhì)量。因此，既要保證繭層膨潤(rùn)充分又要減少蛹酸浸出。

圖2為繭層水增重和蛹體水增重隨調(diào)整時(shí)間的變化情況。其中，繭層水增重=煮后繭層質(zhì)量―繭層干重，蛹體水增重=蒸煮后蛹體質(zhì)量―干蛹質(zhì)量。從圖2可以看到，在0～40 s時(shí)，繭層在沸水中有限膨潤(rùn)，繭層增重，之后外層絲膠部分溶失，繭層增重減??；40 s時(shí)蛹體吸水量還很少，隨煮繭時(shí)間增加，蛹體吸水，這時(shí)有可能有蛹酸浸出。此外煮了40 s的蠶繭的繭層水增重最大，根據(jù)絲膠的膨潤(rùn)特性，一般絲膠50 ℃開(kāi)始膨潤(rùn)，70 ℃開(kāi)始溶解，90 ℃絲膠急劇溶解。層絲膠溶失率的多少對(duì)生絲質(zhì)量及原料消耗有著雙重效應(yīng)。絲膠溶失過(guò)多，則會(huì)增大繅折；絲膠溶失過(guò)少，則繭的煮熟程度較小。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)考慮，40 s時(shí)絲膠溶失較100 s小，因此40 s為最佳調(diào)整部配置時(shí)間。

2.3 蠶繭吐水均勻性實(shí)驗(yàn)

因?yàn)椤八吞幜鳌?，傳統(tǒng)煮繭過(guò)程中總是下半顆繭先吐水，進(jìn)而導(dǎo)致繭子煮熟不均，影響繅絲質(zhì)量。為了能使繭子在蒸煮過(guò)程中吐水均勻，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)翻面蒸煮的方式，觀察對(duì)煮繭吐水的影響。

圖3為不同蒸煮方式對(duì)吐水影響的圖片(a、b、c、d、e分別為不同吐水時(shí)間的繭外觀狀態(tài)，下標(biāo)1

圖2 繭層水增重和蛹體水增重隨調(diào)整時(shí)間的變化Fig.2 Changes of water increment in cocoon shelland pupae with adjustment time

為蒸煮過(guò)程中不翻面，下標(biāo)2為蒸煮過(guò)程中翻面)。由圖3可知，在蒸煮過(guò)程中不翻面，吐水是從蠶繭下半部分開(kāi)始的，下半顆蠶繭吐水完全時(shí)，其上半部分沒(méi)有發(fā)生吐水現(xiàn)象。這說(shuō)明在以往煮繭過(guò)程中，繭子不能被均勻煮熟：當(dāng)煮繭偏生時(shí)，蠶繭下層由于吐水已經(jīng)煮熟，上層未接觸水，其膠著過(guò)重，繅絲易產(chǎn)生環(huán)颣，潔凈成績(jī)下降；如果加大吐水量，用蒸汽煮熟上半顆繭，則下半顆繭過(guò)熟，繅絲不能依次解離，影響潔凈和運(yùn)轉(zhuǎn)率，所以現(xiàn)有的煮繭機(jī)使自動(dòng)繅絲質(zhì)量受到很大制約。

從圖3還可以看到，翻面蒸煮吐水結(jié)束繭層都成紅色，說(shuō)明水分子已經(jīng)到達(dá)絲膠各個(gè)膠著點(diǎn)，為絲膠膨潤(rùn)打下良好基礎(chǔ)。

2.4 新老煮繭機(jī)的生產(chǎn)成績(jī)對(duì)比

2.4.1 新老煮繭機(jī)結(jié)構(gòu)差異

表1為新型煮繭機(jī)與老式煮繭機(jī)結(jié)構(gòu)配置的比

圖3 不同蒸煮方式對(duì)吐水的影響Fig.3 Influence of different cooking methods on guttation

較。根據(jù)蠶繭吐水均勻性實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，因?yàn)樗吞幾?，老式煮繭機(jī)的蒸煮部位于煮繭機(jī)的下槽位置，蠶繭只是下半部能夠有水分子經(jīng)過(guò)，為了使蒸煮均勻性得到提高，必須使得繭子通過(guò)繭籠的反轉(zhuǎn)達(dá)到兩面都過(guò)水。而新型煮繭機(jī)采用上下蒸煮區(qū)的方法，吐水均勻性大幅度得到提高。筆者發(fā)現(xiàn)目前有些工廠經(jīng)過(guò)改進(jìn)，使老式煮繭機(jī)的蒸煮部上槽與下槽連通，形成一個(gè)封閉的回路使得繭籠運(yùn)行在上槽時(shí)也能接觸到下槽逸散的水蒸氣，起到預(yù)煮的目的，然而比起新型煮繭機(jī)的繭質(zhì)，改進(jìn)后的煮繭機(jī)在繭層煮熟均勻度、萬(wàn)米吊糙、潔凈、生產(chǎn)效率等方面仍然不如新型煮繭機(jī)。新型煮繭機(jī)采用了盲管，加大了水蒸氣中的焓，使繭內(nèi)層能夠煮熟。

表1 新型煮繭機(jī)與老式煮繭機(jī)結(jié)構(gòu)配置的比較Tab.1 Comparison of structure configuration of new cocoon cooking machine and old one

老式煮繭機(jī)中，蒸煮室長(zhǎng)度只有2～3 m，繭子經(jīng)蒸煮室時(shí)間短，蒸煮時(shí)間基本只有1 min以內(nèi)。根據(jù)上文對(duì)影響絲膠膨潤(rùn)度實(shí)驗(yàn)的研究表明，煮繭時(shí)間在1～2 min較為合適，調(diào)整時(shí)間在40 s為最佳。為此，新型煮繭機(jī)設(shè)備配置中，蒸煮室長(zhǎng)度增加至6 m(上下槽各3 m),蒸煮室繭籠占整個(gè)繭籠的20%以上，根據(jù)原料特點(diǎn)煮繭時(shí)間可以調(diào)節(jié)為8～18 min，則滿足在蒸煮室1～2 min的要求。老式煮繭機(jī)的調(diào)整部溫差僅為20 ℃以內(nèi)，而絲膠在50 ℃開(kāi)始膨潤(rùn)，70 ℃開(kāi)始溶解，因此只有溫差達(dá)到20 ℃以上才能同時(shí)完成膨潤(rùn)與凝固[8]，采用V型設(shè)計(jì)就是利用高溫水在上層，低溫水在下層的原理，使V型煮繭機(jī)調(diào)整部溫差可以達(dá)到30 ℃以上，最多可達(dá)50 ℃，滿足調(diào)整要求。

2.4.2 實(shí)測(cè)結(jié)果

表2和表3分別為新式煮繭機(jī)和改進(jìn)后的老式煮繭機(jī)工藝下繅絲生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

表2 新式煮繭機(jī)工藝下繅絲生產(chǎn)數(shù)據(jù)Tab.2 Production data of silk reeling under the process of new cocoon cooking machine

表3 改進(jìn)后的老式煮繭機(jī)工藝下繅絲生產(chǎn)數(shù)據(jù)Tab.3 Production data of silk reeling under the process of improved old cocoon cooking machine

在相同原料的情況下，不同的煮繭機(jī)煮出來(lái)的繭子的質(zhì)量是有明顯差異，而煮后繭子的質(zhì)量好壞比較直觀的是絲故障數(shù)、繅絲機(jī)車(chē)速的配置和運(yùn)轉(zhuǎn)率。由表2、表3對(duì)比可以看出，新式煮繭機(jī)工藝的絲故障數(shù)和萬(wàn)米颣吊明顯減少，分析原因?yàn)樾率街罄O機(jī)工藝?yán)O層絲膠膨潤(rùn)度高且均勻化，使繅絲過(guò)程中繭絲能順利解離，從而減少絲故障數(shù)和萬(wàn)米颣吊，同時(shí)繅絲車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)率提高，車(chē)速也相應(yīng)提高，可以保證更高的臺(tái)時(shí)產(chǎn)量。

潔凈成績(jī)目前是高品位(5A-6A)生絲定等因素中的最主要因素[9]，影響潔凈的因素眾多，如蠶的品種等，但最新研究發(fā)現(xiàn)，煮繭工藝是能夠大幅度影響潔凈成績(jī)的。在繅絲工程中，繭絲颣節(jié)的形成存在兩大原因，一是繭絲膠著點(diǎn)的離解阻力(剝離抵抗)存在差異，二是蠶繭的解舒介入了解舒抵抗的慣性導(dǎo)致，制絲技術(shù)中注重上述兩點(diǎn)成因，在膨潤(rùn)不足的狀態(tài)下，小颣等增多，是因?yàn)闅埩糁鴦冸x抵抗大于解舒強(qiáng)力的膠著點(diǎn)。在膨潤(rùn)過(guò)度的情況下發(fā)生較多的綿條颣，是因?yàn)楫a(chǎn)生離解阻力較小的膠著點(diǎn)，用小于平均解舒強(qiáng)力的力就能離解的緣故，如果能確保離解阻力和解舒強(qiáng)力均衡，那么不管絲膠的膨化大小如何，都不可能發(fā)生颣節(jié)。破壞這一均衡的很大原因是離解阻力不均勻，在慣性狀態(tài)下進(jìn)行繅絲離解[10]。筆者在工廠實(shí)測(cè)中，嘗試調(diào)整各部段蒸汽溫度及運(yùn)轉(zhuǎn)車(chē)速，以求使繭層膨潤(rùn)均衡。從表4可以看出相同的原料繭經(jīng)過(guò)工藝調(diào)整之后新型煮繭機(jī)煮熟繭繅絲潔凈分?jǐn)?shù)明顯優(yōu)于老式煮繭機(jī)，而且變化量比較大，相當(dāng)于提高了1～2個(gè)等級(jí)。

表4 新老煮繭機(jī)工藝繅絲潔凈成績(jī)對(duì)比Tab.4 Comparison of cleanness performance of silk reeling withthe process of new and old cocoon cooking machines

綜合對(duì)比可以看出，新型煮繭機(jī)在性能上比老式煮繭機(jī)要優(yōu)越，對(duì)繅絲成績(jī)有明顯提高。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)新型煮繭機(jī)?型蒸煮室為吐水均勻和煮熟均勻提供了保證，蒸煮室長(zhǎng)度的改變直接影響到蠶繭蒸煮時(shí)間的長(zhǎng)短，從而影響繭腔吐水量與繭層的膨潤(rùn)度(繭層水增量)。蠶繭在蒸煮室的最佳時(shí)間為1～2 min。

2)調(diào)整段水煮時(shí)間直接影響繭層水增量與蛹體水增量，一般調(diào)整高溫區(qū)在40 s以下比較合理，時(shí)間短能夠保護(hù)外層絲膠溶失，同時(shí)減少蛹酸浸出。

3)通過(guò)實(shí)測(cè)對(duì)比新老煮繭機(jī)性能發(fā)現(xiàn)，研制的新型煮繭工藝繅絲車(chē)速明顯提高，萬(wàn)米颣吊較少且潔凈成績(jī)提高幅度較大。

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Effect of Cooking/Adjustment Time on Weight Increment of Cocoon Shell and Improvement of New Cocoon Cooking Machine

WANG Xiaofei, HU Zhengyu

(College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China)

Cocoon cooking is a key step in silk making process. Under the principle of sericin swelling in cocoon cooking process, this experiment explores the influence of cooking time, adjustment time and turnover of cocoon in cocoon cooking process on weight increment and uniformity of cocoon shell. The experimental result shows that swelling of cocoon shell maximizes when cooking time is 1～2 min; when adjustment time is 40 s, water increment in cocoon shell maximizes and that in pupae minimizes. Reverse cooking of silkworm cocoon will be conducive to uniform guttation of cocoon shell, thus realizing uniform doneness of cocoon shell. This paper improves and makes new cocoon cooking machine according to the experimental result and conducts field measurement on the new cocoon cooking machine made. The result shows that new cocoon cooking process can obviously improve silk reeling performance.

cocoon cooking machine; guttation; swelling; water increment in cocoon shell

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.04.004

2014-08-24;

2014-12-17

王曉飛(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榧徔椆こ獭?/p>

胡征宇，副教授，hzywz2005@163.com。

TS143.222

A

1001-7003(2015)04-0014-05 引用頁(yè)碼: 041106