廣西家蠶品種7532和蓖麻蠶品種南一蠶絲拉伸性能的比較研究

羅群，黃文功，楊其保，閉立輝，甘樹山

（1.廣西壯族自治區(qū)蠶業(yè)技術(shù)推廣站，南寧市 530007；2.廣西壯族自治區(qū)蠶業(yè)科學(xué)研究院，南寧市 530007；3.貴港市蠶種場，貴港市 537122）

桑蠶絲和蓖麻蠶絲都是天然的蛋白質(zhì)纖維，也是優(yōu)良的高分子材料，是紡織領(lǐng)域重要的原材料［1-2］。蠶絲的研究和開發(fā)涉及多個(gè)行業(yè)，已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、化工、生物材料、美容和食品等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。迄今為止，國內(nèi)外眾多學(xué)者及專家分別就桑蠶絲和蓖麻蠶絲的結(jié)構(gòu)及其性能之間的關(guān)系進(jìn)行了不同層面的研究與探討。HAN 等［3］和MANDAL 等［4］利用桑蠶絲優(yōu)異的力學(xué)性能，以桑蠶絲為材料制造用于軟組織修復(fù)的再生絲素復(fù)合支架和高強(qiáng)度的微米絲素纖維復(fù)合支架等。姜為青等［5］研究分析了蓖麻蠶絲的形態(tài)及微觀結(jié)構(gòu)，并利用蠶絲上殘留的絲膠，結(jié)合超聲波空化振蕩均勻成膜，表明蓖麻蠶絲膜可作為一些綠色保健類產(chǎn)品（如面膜等接觸皮膚產(chǎn)品）適用的材料。陳宏武等［6］將蓖麻蠶絲纖維與低熔點(diǎn)聚酯纖維（LPET）、鍍銀聚酯纖維（Ag-PET）和抗紫外天絲纖維（Tencelsun）共混形成復(fù)合材料。結(jié)果表明，該材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，兼具防電磁和紫外線輻射、抗菌、保暖性能。

廣西是全國最大的桑蠶和蓖麻蠶生產(chǎn)基地，桑蠶繭的年產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的60%以上，廣西每年蓖麻蠶鮮繭產(chǎn)量超過70 000 kg。桑蠶繭繅絲后主要用于加工成各類織物；蓖麻蠶繭作為絹紡原料，做成的絹綢抗皺且堅(jiān)固耐用。為了解桑蠶繭絲和蓖麻蠶繭絲的力學(xué)性能，以強(qiáng)健性夏秋用日系桑蠶品種7532 和強(qiáng)健性蓖麻蠶品種南一為研究材料，分析兩者的拉伸性能。7532是廣西蠶業(yè)技術(shù)推廣站育成的強(qiáng)健性夏秋用日系桑蠶品種［7］，抗高溫多濕性能強(qiáng)，綜合性狀優(yōu)良，是全國應(yīng)用最廣泛的夏秋用強(qiáng)健性日系基礎(chǔ)品種，也是廣西目前當(dāng)家品種兩廣二號(hào)的親本之一。南一是廣西蠶業(yè)技術(shù)推廣站育成的強(qiáng)健性蓖麻蠶品種［8］，抗逆性強(qiáng)，綜合性能優(yōu)，是廣西目前飼養(yǎng)量最大的一代雜交種親本之一。兩個(gè)品種均為強(qiáng)健性品種，尚未進(jìn)行過繭絲力學(xué)性能對(duì)比測試。通過測試兩種繭絲的斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長率這兩項(xiàng)反映纖維力學(xué)性能的重要指標(biāo)，掌握其繭絲力學(xué)性能的差異并分析繭絲負(fù)荷和伸長率變化的關(guān)系，為有效利用各種蠶絲纖維的固有特性，充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

試供蠶絲為桑蠶品種7532和蓖麻蠶品種南一的繭絲，兩個(gè)品種均于2020 年夏季在廣西蠶業(yè)技術(shù)推廣站蠶室飼養(yǎng)。蠶繭預(yù)處理工具為剪刀、鑷子、卡片紙、粘膠、燒杯，設(shè)備為金壇市醫(yī)療儀器廠生產(chǎn)的HH—S2 號(hào)數(shù)顯恒溫水浴鍋以及課題組研發(fā)的數(shù)控繅絲機(jī)及設(shè)備等。測試蠶絲的設(shè)備為XQ-2 纖維強(qiáng)伸度儀，由上海新纖儀器有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)方法

桑蠶品種7532 和蓖麻蠶品種南一于2020 年夏季在廣西蠶業(yè)技術(shù)推廣站蠶室飼養(yǎng)。飼養(yǎng)環(huán)境溫度為27～29 ℃，相對(duì)濕度75%～85%，采用一日三回育，良桑飽食。熟蠶用方格蔟上蔟營繭?；己?2 h采繭，隨機(jī)抽取7532 和南一各4 粒健康樣繭轉(zhuǎn)至實(shí)驗(yàn)室備測。設(shè)置測試室溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度約65%［9-10］。將樣繭置于95 ℃水浴鍋中浸泡5～10 min，再投入65 ℃水浴鍋中攪拌1～2 min 后撈起［11］。樣繭用數(shù)控繅絲設(shè)備逐粒以1 m/s 的速度在90 ℃以上高溫湯中浮繅，每間隔20～30 m截取8 cm左右的樣絲，每粒繭截取樣絲15 個(gè)。將所取樣絲的兩端用粘膠排列固定在卡片紙上，樣絲保持一定的松弛度，靜置24 h 干燥。將所有樣絲用XQ-2 纖維強(qiáng)伸度儀及其配套系統(tǒng)測量繭絲斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率。設(shè)置夾持距離為10 mm，拉伸速度為10 mm/min，配重0.1 cN的預(yù)張力［12］。

2 測試結(jié)果

2.1 桑蠶品種7532蠶絲測試結(jié)果

桑蠶品種7532的60個(gè)樣絲的斷裂強(qiáng)力為4.60～8.78 cN，斷裂伸長率為19.60%～35.30%，整體趨勢為絲的斷裂強(qiáng)力越大，斷裂伸長率越大（表1）。

表1 7532桑蠶樣絲的斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長率

4 粒桑蠶樣繭的蠶絲負(fù)荷—伸長率特性曲線圖形特征較為一致，斷裂伸長率的值較為離散。蠶絲拉伸至2%左右出現(xiàn)屈服點(diǎn)，從開始拉伸至斷裂，強(qiáng)力與伸長率呈正相關(guān)（圖1）。

圖1 桑蠶絲的負(fù)荷—伸長率特性曲線

2.2 蓖麻蠶品種南一蠶絲測試結(jié)果

蓖麻蠶品種南一的60個(gè)樣絲的斷裂強(qiáng)力為9.17～14.43 cN，斷裂伸長率為34.20%～50.30%，整體趨勢為絲的斷裂強(qiáng)力越大，斷裂伸長率越大（表2）。

表2 蓖麻蠶南一樣絲的斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長率

續(xù)表2

蓖麻蠶4粒樣繭的蠶絲負(fù)荷—伸長率特性曲線圖形特征較為一致，樣繭2和樣繭3的斷裂伸長率值較為離散，樣繭1和樣繭4則較為集中（圖2）。蓖麻蠶絲拉伸至2%左右出現(xiàn)第1個(gè)屈服點(diǎn)，拉伸至7%左右出現(xiàn)第2個(gè)屈服點(diǎn)，兩個(gè)屈服點(diǎn)之間隨著伸長率的增加，拉伸負(fù)荷呈穩(wěn)定不變狀態(tài)。在出現(xiàn)第2 個(gè)屈服點(diǎn)之后，隨著伸長率的增加，拉伸負(fù)荷曲線呈線性走勢。第1個(gè)屈服點(diǎn)至第2個(gè)屈服點(diǎn)之間的曲線走勢與桑蠶絲有顯著區(qū)別。

圖2 蓖麻蠶絲負(fù)荷—伸長率特性曲線

3 分析與討論

3.1 方差分析

桑蠶絲、蓖麻蠶絲斷裂強(qiáng)力均值分別為6.56 cN、11.09 cN，蓖麻蠶絲檢測到的極小值為9.17 cN，高于桑蠶絲檢測到的極大值8.78 cN。桑蠶絲斷裂強(qiáng)力的標(biāo)準(zhǔn)差為0.86，低于蓖麻蠶絲的1.14，桑蠶絲斷裂強(qiáng)力的離散程度低于蓖麻蠶絲。桑蠶絲、蓖麻蠶絲的斷裂伸長率均值分別為27.65%、42.19%，兩者的標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.12和3.43，蓖麻蠶絲斷裂伸長率的離散程度低于桑蠶絲（表3）。從表4可以看出，桑蠶絲和蓖麻蠶絲斷裂強(qiáng)力方差檢驗(yàn)得出F=603.056，對(duì)應(yīng)的顯著性為0，小于顯著性水平0.05，桑蠶絲和蓖麻蠶絲的斷裂強(qiáng)力存在顯著差異。桑蠶絲和蓖麻蠶絲斷裂伸長率方差檢驗(yàn)得出F=442.577，對(duì)應(yīng)的顯著性為0，小于顯著性水平0.05，桑蠶絲和蓖麻蠶絲的斷裂伸長率存在顯著差異。桑蠶絲與蓖麻蠶絲斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長率對(duì)比情況如圖3所示。

表3 各指標(biāo)統(tǒng)計(jì)量

表4 方差分析

圖3 桑蠶絲與蓖麻蠶絲斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長率對(duì)比

3.2 討論

蠶絲的拉伸性能受蠶絲纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)、蠶品種、繭絲的生產(chǎn)環(huán)境及取樣部位、檢測環(huán)境條件、檢測方式等多個(gè)方面因素的影響。桑蠶絲和蓖麻蠶絲兩種不同類的蠶絲形態(tài)結(jié)構(gòu)不同，截面粗細(xì)、大分子和超分子結(jié)構(gòu)不同，纖維中存在的細(xì)小裂縫、孔洞等缺陷會(huì)引起應(yīng)力分布不均。絲素內(nèi)部由結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)2個(gè)部分組成。結(jié)晶區(qū)非極性基團(tuán)較多，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，分子間結(jié)合力強(qiáng)，排列整齊、緊密，抵抗外部拉伸能力強(qiáng)，使得纖維的強(qiáng)力增大；非結(jié)晶區(qū)極性基團(tuán)多，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，分子間結(jié)合力弱，肽鏈排列不規(guī)則、不整齊，有彎曲和纏結(jié)，易變形，纖維在該區(qū)域有較大的伸長率。纖維的斷裂易發(fā)生在非結(jié)晶區(qū)，因此非結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)對(duì)纖維伸長率的影響較大。不同纖維的拉伸性能都是結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)適當(dāng)配合、大分子及超分子間相互作用產(chǎn)生的結(jié)果。蓖麻蠶繭絲蛋白的結(jié)晶度為44.07%，高于家蠶31.78%的結(jié)晶度［13］。結(jié)晶度越高，所占纖維的百分比越大，分子間有較多堅(jiān)固連接點(diǎn)，纖維的拉伸強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)增大。其結(jié)論與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

從廣西家蠶品種7532和蓖麻蠶品種南一蠶絲的負(fù)荷—伸長率特性曲線圖可以看出，兩者曲線走勢不同，主要體現(xiàn)在伸長率10%以下的范圍內(nèi)。蠶絲拉伸初期，纖維中的大分子之間連接鍵的伸長變形需要較大的外力，模量升高，至屈服點(diǎn)后，纖維中的大分子的空間結(jié)構(gòu)開始發(fā)生改變，取蓖麻蠶絲伸長率在2%～10%之間的拉伸負(fù)荷值做方差分析。結(jié)果顯示，伸長率在3%～7%之間的拉伸負(fù)荷顯著性大于0.05，伸長率之間的多重比較（LSD）差異不顯著。伸長率在5%左右的拉伸負(fù)荷均值低于4%的拉伸負(fù)荷均值。產(chǎn)生這一現(xiàn)象是因?yàn)樵却嬖谟诖蠓肿觾?nèi)部或大分子之間的氫鍵開始斷裂，使結(jié)晶區(qū)的大分子發(fā)生滑移而產(chǎn)生變形，蓖麻蠶絲這個(gè)階段的變形比桑蠶絲更為顯著。這一階段過后，滑移的大分子平行伸直，相鄰大分子互相靠攏使橫向結(jié)合力增加，形成新的結(jié)合鍵，模量再次升高直至結(jié)合鍵斷裂，纖維斷裂。因此，桑蠶絲和蓖麻蠶絲顯示出不同的拉伸特性曲線和不同的強(qiáng)力和伸長率。

除繭絲自身?xiàng)l件以外，樣品的預(yù)處理方式、試驗(yàn)方法及檢測環(huán)境等因素對(duì)蠶絲的拉伸性能也有較大的影響。通常情況下，溫度和相對(duì)濕度越高，蠶絲的拉伸強(qiáng)度下降，斷裂伸長率增大；拉伸速度越大，強(qiáng)力越大，伸長率也隨之發(fā)生變化；試樣長度增加，平均強(qiáng)力降低［14］。桑蠶絲和蓖麻蠶絲兩種繭絲本身結(jié)構(gòu)存在差異，在檢測環(huán)境條件和檢測方式相同的情況下，測試結(jié)果的優(yōu)劣偏向于其中一種纖維。同時(shí)兩種繭的絲膠及成分含量有差別，本試驗(yàn)的繭絲樣品用水浴脫膠，絲膠不能徹底去除，蠶絲表面殘留有結(jié)晶物會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響［15］。在桑蠶繭及其繭絲和生絲的機(jī)械性能研究中發(fā)現(xiàn)，用桑蠶繭繅制的生絲其機(jī)械性能與桑蠶繭絲存在很大差異。

目前，本研究對(duì)于蠶的吐絲機(jī)理、營繭的微觀動(dòng)態(tài)及蠶絲纖維結(jié)構(gòu)優(yōu)良性能的形成過程并沒有加以闡釋清楚，桑蠶絲和蓖麻蠶絲的拉伸性能仍需要測試更多的品種來驗(yàn)證。蠶絲是一個(gè)組分非常復(fù)雜的蛋白質(zhì)復(fù)合體，深入研究桑蠶絲和蓖麻蠶絲蛋白的組成及其分子機(jī)制，將有助于全面改進(jìn)和提高繭絲的機(jī)械性能，創(chuàng)造新型蠶絲產(chǎn)品。