鮮繭前處理工藝對繅絲及生絲性能的影響

，

(浙江理工大學(xué)先進紡織材料與制備技術(shù)教育部重點實驗室，杭州 310018)

近年來，由于原料成本、能耗和勞動力成本的提高，繅絲生產(chǎn)企業(yè)的生存和發(fā)展受到嚴峻考驗，繅絲工藝急需改進。隨著技術(shù)進步，鮮繭冰凍技術(shù)在鮮繭前處理中得到逐步應(yīng)用[1-2]。目前鮮繭繅絲常采用一步繅絲法[3]，省去了烘繭煮繭工序，生產(chǎn)成本大大降低，但也因此造成了生絲清潔成績差、織造時斷頭較多、易起毛等問題。產(chǎn)生這些問題的主要原因是不同的前處理方式對絲素、絲膠的結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生影響，從而改變了生絲的性能。

絲素是蠶絲的主要組成部分，占繭層質(zhì)量的70%左右，絲素蛋白以β-結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，一般不溶于水[4]。絲膠約占繭層質(zhì)量的25%，其分子構(gòu)象以無規(guī)則卷曲為主，并含有一定的β-結(jié)構(gòu)[5]。有研究表明，在不同前處理方式作用下絲膠會受到不同的濕熱影響，部分無規(guī)卷曲能向β-結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生不同程度的變性，改變生絲的性能[6]。為提高鮮繭生絲的性能，本文將探討不同前處理方式對絲素、絲膠以及絲膠穩(wěn)定性的影響，從而為制定合適的鮮繭繅絲工藝提供參考。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

原料：采用江蘇同一莊口收集到的晚秋繭(干繭和鮮繭)為原料繭。

試劑：柔軟劑HC、綜合助劑EKL-200，均由湖州浙絲二廠提供。

儀器：立繅機(浙江米賽絲綢有限公司)，煮繭機(浙江米賽絲綢有限公司)，真空滲透機(浙江米賽絲綢有限公司)，HH-6數(shù)顯電子恒溫水浴鍋(常州國華電器有限公司)，JCM-6000臺式掃描電子顯微鏡(日本電子有限公司)，Y371型抱合力機(國營常州紡織儀器廠)，XL-2紗線強伸度儀(上海新纖儀器有限公司)，Y172型纖維切片器(國營常州紡織儀器廠)，X′TRA X射線多晶粉末衍射儀(瑞士ARL公司)，SCY-Ⅲ型聲速取向測量儀(東華大學(xué)材料學(xué)院)。

1.2 實驗方法

為了研究鮮繭前處理方式對生絲性能的影響，本文選擇熱風(fēng)烘干、冰凍兩種方法處理鮮繭，采用干繭煮繭、鮮繭不煮繭、鮮繭煮繭3種前處理工藝，然后上立繰機繅絲；采用柔軟助劑HC和綜合助劑EKL-200對以上3種生絲進行織造前處理，待自然晾干后進行生絲的性能測試。分析不同濕熱作用下絲素、絲膠的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化以及經(jīng)過浸泡處理后絲膠的穩(wěn)定程度。

生絲性能測試主要包括生絲表面形貌觀測、抱合性能測試、結(jié)晶度測試、取向度測試、力學(xué)性能測試。

1.3 生絲制備工藝

a)干繭生絲的制備：干繭→剝選繭→真空滲透→煮繭→繅絲→烘干。

b)鮮繭不煮繭生絲的制備：冰凍鮮繭→自然解凍→剝選繭→真空滲透→繅絲→烘干。

c)鮮繭煮繭生絲的制備：冰凍鮮繭→自然解凍→剝選繭→真空滲透→煮繭→繅絲→烘干。

具體的工藝參數(shù)：

真空滲透：水溫40 ℃，真空度98 kPa，每次30 s，滲透3次。

煮繭：參照工廠常規(guī)的煮繭工藝，煮繭時間為(15±5)min，具體參數(shù)見表1。

表1 煮繭工序各階段參數(shù)

繅絲：索緒湯溫100 ℃，理緒湯溫40 ℃，轉(zhuǎn)速170 r/min，絲鞘長度10 cm，生絲纖度35 dtex(30/33) D，12粒繭。

烘干：單絲紅外烘干，溫度45～50 ℃。

d)生絲浸泡工藝見表2。

表2 生絲浸泡工藝

1.4 生絲性能測試

1.4.1 生絲抱合性能的測試

采用Y371型抱合力機，對3種不同工藝下繅制出的生絲樣品分別測試抱合力10次，記錄半數(shù)以上絲條出現(xiàn)6 mm及以上開裂時的摩擦次數(shù)，并計算出平均抱合力。

1.4.2 生絲結(jié)晶度測試

用切片器將3種類型生絲切成粉末狀，采用X′TRA型X射線多晶粉末衍射儀進行測試，設(shè)定管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描速度2°/min，掃描范圍5°～50°，得出XRD曲線圖。

1.4.3 生絲取向度測試

采用SCY-Ⅲ型聲速取向測量儀，測試前將儀器預(yù)熱5 min，在每種生絲樣品中隨機選取5段絲，按照操作規(guī)程進行測試。待測試完成后記錄相應(yīng)的生絲fs值。

1.4.4 生絲拉伸性能的測試

采用XL-2型紗線強伸度儀測試生絲的斷裂強度、斷裂伸長率以及初始模量。參數(shù)設(shè)定為：夾持距離500 mm，拉伸速度500 mm/min，預(yù)加張力1.0 cN。測試前需要將樣品置于恒溫恒濕間(溫度(20±2.0)℃、相對濕度(65.0±4.0)%)平衡12 h以上。對3種不同工藝下繅制出的生絲樣品分別測試50次，計算出平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 生絲表面形貌分析

圖1為使用JCM-6000臺式掃描電子顯微鏡所拍攝出來的3種生絲的表面形貌圖(放大倍數(shù)500倍)。

圖1 生絲纖維的SEM縱向形態(tài)

從圖1中可以看出，3種生絲表面都含有不同程度的溝槽，絲素排列整齊、抱合緊密度不一。其中干繭生絲表面較為規(guī)整，溝槽紋路清晰，絲膠抱合良好；鮮繭不煮繭生絲表面溝槽不明顯，繭絲抱合緊密；鮮繭煮繭生絲表面不平整，繭絲間間隙較大，抱合均勻性有所下降。這是因為：鮮繭經(jīng)烘干處理后進行繅絲，測得生絲含膠率為26.34%，絲膠發(fā)生較大變性、均勻膨化，在絲綃作用下，絲膠在生絲周圍均勻抱合，形成穩(wěn)定的生絲結(jié)構(gòu)；鮮繭直接繅絲，測得生絲含膠率為26.91%，絲膠變性較小、結(jié)構(gòu)松散，膨潤性好，在生絲外圍能夠形成更均勻的抱合；鮮繭直接煮繭，生絲含膠率為26.01%，絲膠過于膨化、部分溶解，煮繭時絲膠局部變性，導(dǎo)致繅絲工藝中生絲抱合均勻性有所下降。

2.2 生絲抱合性能分析

圖2為浸泡前后干繭生絲、鮮繭不煮繭生絲、鮮繭煮繭生絲抱合性能的測試結(jié)果。

圖2 3種類型生絲的抱合性能

從圖2中可看出，3種生絲的平均抱合次數(shù)分別為：干繭生絲153次，鮮繭不煮繭生絲165次，鮮繭煮繭生絲120次，均已超過100次，達到5A級以上生絲[7]的抱合要求。這說明3種生絲的抱合性能均良好，其中，鮮繭不煮繭生絲最佳，其次是干繭生絲，鮮繭煮繭生絲略低。經(jīng)過柔軟助劑HC浸泡后，干繭生絲的抱合次數(shù)比浸泡前降低了1.3%，鮮繭不煮繭生絲降低了13.3%，鮮繭煮繭生絲降低了5.0%；經(jīng)過綜合助劑EKL-200浸泡后，干繭生絲的抱合次數(shù)降低了52.3%，鮮繭不煮繭生絲降低了77.6%，鮮繭煮繭生絲降低了68.3%。

生絲抱合性能的優(yōu)劣主要取決于繭絲之間相互膠著面積的大小及黏合的緊密程度[8-9]。從3種生絲的縱向形態(tài)圖(圖1)可以看出，3種生絲的單絲間相互膠著在一起，抱合良好。其中，鮮繭不煮繭生絲繭絲間膠著面積最大，單絲間抱合最緊密；其次是干繭生絲，表面規(guī)整，絲膠分布均勻，抱合良好；鮮繭煮繭生絲繭絲間間隙較大，抱合均勻性有所降低。

經(jīng)過HC浸泡后，各生絲的抱合力均小幅降低；經(jīng)過EKL-200浸泡后，抱合力均大幅下降。其中鮮繭不煮繭生絲的抱合力下降幅度最大。這主要是因為絲膠內(nèi)部的分子結(jié)合力被滲透進來的浸泡助劑破壞，部分絲膠被溶解，抱合力就隨著繭絲間黏著力的減小而下降。對于干繭生絲，由于采用的是經(jīng)熱風(fēng)烘干的蠶繭，烘干過程中溫度為90～100 ℃，時間5.0～6.5 h[10]，高溫作用下絲膠變性程度高，浸泡后抱合穩(wěn)定性較好，下降幅度最小。對于鮮繭不煮繭生絲，由于繅絲前沒有烘干、煮繭過程，絲膠沒有變性，穩(wěn)定性差，在浸泡助劑作用下，絲膠容易膨化溶解，因而抱合力下降最明顯。對于鮮繭煮繭生絲，因鮮繭經(jīng)煮繭工藝后絲膠發(fā)生少量變性，穩(wěn)定性有一定的提高，因此在浸泡后其抱合力下降幅度低于鮮繭不煮繭生絲。

綜上所述，煮繭工藝能夠在一定程度上提高生絲的抱合穩(wěn)定性，可以期望通過調(diào)整煮繭工藝，增加絲膠變性程度，提高絲膠穩(wěn)定性，以達到改善鮮繭生絲抱合穩(wěn)定性的目的。

2.3 生絲結(jié)晶度分析

圖3為干繭生絲、鮮繭不煮繭生絲、鮮繭煮繭生絲的X射線衍射曲線圖。

由圖3可見，干繭生絲、鮮繭不煮繭生絲、鮮繭煮繭生絲的XRD曲線形狀類似，衍射強度有所區(qū)別。借助表3絲素的主要衍射特征峰位置[11]進行分析，3種生絲均在2θ為9.7°、20.3°、25.2°、28.9°附近有不同強度的衍射峰出現(xiàn)，其中20.3°附近衍射峰強度最高，它屬于SilkⅡ型結(jié)晶結(jié)構(gòu)。由此可以得出結(jié)論：3種生絲均以SilkⅡ型的晶體結(jié)構(gòu)為主，且在結(jié)構(gòu)上無明顯差異，因此可以說明熱風(fēng)烘干、冰凍、煮繭3種工藝對蠶絲的結(jié)構(gòu)沒有大的改變，其影響主要發(fā)生在無定形區(qū)，對絲素影響較小。

圖3 3種生絲的X射線衍射曲線

SilkⅠ2θ/(°)強度SilkⅡ2θ/(°)強度12.2中強9.1中強19.7強18.9中強24.7中等20.7很強28.2中等

2.4 生絲取向性能分析

圖4為浸泡前后干繭生絲、鮮繭不煮繭生絲、鮮繭煮繭生絲取向度的測試結(jié)果。

從圖4中可以看出，浸泡前后，各生絲的取向度均在0.88～0.92之間，差別不大。纖維的取向度取決于纖維的分子結(jié)構(gòu)與大分子的結(jié)晶度[12]，而對于絲纖維，其取向度主要由絲素的性能決定。因此可以說明鮮繭前處理方式及織造前浸泡工藝對生絲絲素結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響。

圖4 3種類型生絲的取向度

2.5 生絲力學(xué)性能分析

表4為浸泡前后干繭生絲、鮮繭不煮繭生絲、鮮繭煮繭生絲力學(xué)性能的測定結(jié)果。

表4 各類型生絲的力學(xué)性能

由表4可知，3種生絲的斷裂強度均超過3.5 cN/dtex，說明3種生絲的力學(xué)性能良好，能滿足基本的織造要求。生絲拉伸斷裂能力主要與絲素結(jié)構(gòu)及排列狀態(tài)有關(guān)，從生絲結(jié)晶度和取向度的分析中可以知道不同前處理工藝對絲素影響不大，因此3種生絲的斷裂強度相差不大。

比較各生絲的初始模量，可以發(fā)現(xiàn)干繭生絲和鮮繭不煮繭生絲的初始模量均高于鮮繭煮繭生絲；經(jīng)過浸泡工藝后，各生絲的初始模量均有所降低。初始模量的大小與生絲含膠量、浸泡工藝有關(guān)。干繭生絲和鮮繭不煮繭生絲含膠率高，初始模量較高；而鮮繭煮繭生絲的絲膠在煮繭過程中部分溶解，生絲含膠率降低，因此其初始模量較低。經(jīng)過浸泡工藝后，由于浸泡助劑具有柔軟作用，導(dǎo)致生絲的初始模量降低。

3 結(jié) 論

a)干繭生絲、鮮繭不煮繭生絲、鮮繭煮繭生絲的平均抱合次數(shù)均已超過100次，說明抱合性能均良好。其中鮮繭不煮繭生絲最佳，其次是干繭生絲，鮮繭煮繭生絲略低。經(jīng)過HC浸泡后，抱合力均有所降低；經(jīng)過EKL-200浸泡后，抱合力均大幅下降。其中鮮繭生絲絲膠穩(wěn)定性較差，其抱合力下降幅度較大；鮮繭經(jīng)過煮繭工藝，在一定程度上能夠提高生絲的抱合穩(wěn)定性。這說明煮繭工藝能夠在一定程度上提高生絲的抱合穩(wěn)定性，可以期望通過調(diào)整煮繭工藝，增加絲膠變性程度，提高絲膠穩(wěn)定性，達到改善鮮繭生絲抱合穩(wěn)定性的目的。

b)干繭生絲、鮮繭不煮繭生絲、鮮繭煮繭生絲的結(jié)晶度曲線形狀類似，取向度相差不大，說明熱風(fēng)烘干、冰凍、煮繭工藝對絲素幾乎沒有影響。

c)干繭生絲、鮮繭不煮繭生絲、鮮繭煮繭生絲的斷裂強度均超過3.5 cN/dtex，說明各生絲的力學(xué)性能良好，能滿足基本的織造要求。

[1] 張輝,陳芳艷,黃自然,等.干冰殺蛹及凍繭煮繭工藝的初步探究[J].廣東蠶業(yè),2011,45(3):31-34.

[2] 展義臻,趙雪.微波技術(shù)在紡織品染整加工中的應(yīng)用[J].

印染助劑,2009,26(7):6-10.

[3] 白燕川,劉輝芬,鄒方清,等.桑蠶鮮繭一步繅絲的方法：CN1446950[P].2003-10-08.

[4] 李玲玲.絲素蛋白的制備及表征[J].重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2012(1):48-50.

[5] 陳華,朱良均,閔思佳,等.蠶絲絲膠蛋白的結(jié)構(gòu)、性能及利用[J].功能高分子學(xué)報,2001,14(3):344-348.

[6] 李明忠.蠶繭干燥過程中絲膠結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化[J].紡織學(xué)報,2002,23(1):43-45.

[7] 陳文興,傅雅琴,江文斌.蠶絲加工工程[M].北京:中國紡織出版社,2013:206-211.

[8] 龔求娣.淺談工藝條件對生絲抱合和強伸力的影響[J].絲綢,2006(9):27-30.

[9] 黃繼偉,于媛媛,封寶山,等.提高鮮繭繅生絲抱合成績的探討[J].絲綢,2014,10(51):12-15.

[10] 喬鐵軍,王侖,張秀琍,等.干繭絲與鮮繭絲抱合指標的差異性實驗與分析[J].絲綢,2009(10):32-33.

[11] 陳艷雄,陳敏,朱譜新,等.絲素蛋白的研究和應(yīng)用進展[J].紡織科技進展,2007(2):13-18.

[12] 胡鳳霞,張健,盛家鏞.新型蠶絲材料的纖維取向結(jié)構(gòu)[J].紡織學(xué)報,2005,26(1):33-35.