蠶繭繭殼的結(jié)構(gòu)性能分析及其仿生設(shè)計

莫曉璇　劉福娟

摘 要：蠶繭作為具有特殊幾何特性的天然材料，表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，在仿生應(yīng)用領(lǐng)域中是良好的參考模型。從仿生學(xué)的角度出發(fā)，對兩種代表性蠶繭做了全面的測試和比較，對繭殼的尺寸、各層級的表面形貌、蠶絲直徑、孔隙率、透氣性、力學(xué)性能和熱傳導(dǎo)性能進行了表征、分析和總結(jié)。基于對蠶繭層級和性能的研究，仿生設(shè)計了一種層級結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于隔熱服上，使其具有良好隔熱性能和透氣透濕性能。當外界溫度發(fā)生驟降時，能夠使溫度緩慢變化到達人體，并接近體溫，避免了高溫給人體帶來的不適。

關(guān)鍵詞：蠶繭;性能研究;層級結(jié)構(gòu);仿生設(shè)計;隔熱服

中圖分類號：TS101.8

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2021）05-0001-07

Structural Performance Analysis of Cocoons and their Bionic Design

MO Xiaoxuan， LIU Fujuan

（College of Textile and Clothing Engineering， Soochow University， Suzhou 215123， China）

Abstract： As a natural material with special geometric characteristics， the silkworm cocoon shows excellent performance and is regarded as a good reference model in the field of bionic applications. From the perspective of bionics， this article has made comprehensive tests and comparisons on two representative silkworm cocoons. The sizes of the cocoons， the surface morphology of each layer， the silk diameter， porosity， air permeability， mechanical properties and thermal conductivity were characterized， analyzed and summarized. Based on studies on the layers and performances of silkworm cocoons， this paper designs a hierarchical structure that can be applied on the proximity suit bionically， so that it can have good heat insulation performance， air permeability and moisture permeability. When the external temperature drops sharply， it makes the temperature slowly change to the human body， and approaches the body temperature， which avoids the discomfort caused by high temperature to the human body.

Key words： cocoon; performance research; hierarchical structure; bionic design; proximity suit

蠶繭是天然材料，具有明顯的多層結(jié)構(gòu)，可分為繭衣、繭層和繭襯三部分，且各部分的性能均不相同，其特殊且復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的特性被應(yīng)用在紡織、環(huán)境工程、建筑學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域[1-5]。蠶繭的多層結(jié)構(gòu)以及高孔隙率，可以歸因于雜亂的非織造結(jié)構(gòu)[6]。特殊的層級結(jié)構(gòu)和孔隙提供了獨特的多級水分傳遞路徑，因此具有了良好的水分緩沖效果[7]。此外，蠶繭除了具備高透氣透濕的特點外還擁有顯著的溫度調(diào)節(jié)功能[8]。輕且薄的繭層使蠶蛹能夠在極端環(huán)境下生存，而這一現(xiàn)象引起了研究者們的興趣。近年來，Chen等[9]研究了27種蠶繭的結(jié)構(gòu)和形態(tài);Du等[10]研究了蠶絲對微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響;Guan[11]提出了蠶絲纖維復(fù)合材料的破壞機理和不同的破壞模式;Roy等[12]觀察到二氧化碳通過繭層的定向轉(zhuǎn)移，為蠶蛹的生存提供了有利的環(huán)境。此外優(yōu)異的力學(xué)性能使蠶繭成為仿生工程應(yīng)用領(lǐng)域良好的模型[9，13-15]。了解蠶繭的結(jié)構(gòu)、性能和功能之間的關(guān)系將為設(shè)計具有良好熱濕舒適性的防護服裝材料提供靈感和思路。

以兩種代表性蠶繭（桑蠶繭和柞蠶繭）的繭殼為研究對象，并對其進行了測試。通過采集蠶繭圖像并進行橢圓擬合，基于微積分化曲為直的思想，將蠶繭模型近似為長橢球狀的等效階梯柱面模型，從而建立對應(yīng)的坐標系。對兩種蠶繭殼的規(guī)格、各層形貌、孔隙率、透氣性、力學(xué)性能以及熱傳導(dǎo)性能進行了表征和分析。并在此基礎(chǔ)上進行了基于蠶繭結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計，設(shè)計了一種能使隔熱服具有良好隔熱性能和透氣透濕性能的層級結(jié)構(gòu)，能夠使環(huán)境溫度緩慢變化到達人體，不至于感覺忽冷忽熱。

1 實 驗

1.1 蠶繭的基本規(guī)格

1.1.1 建立蠶繭的研究模型

根據(jù)孫衛(wèi)紅等[16]的基于等效階梯柱面模型的蠶繭表面圖像展開方法，建立了一個長橢球狀的蠶繭等效模型。將蠶繭的徑向和軸向分別設(shè)為0°和90°，便于觀察分析不同方向上蠶繭繭殼的性能。蠶繭的等效模型如圖1，其中D1為縱幅，D2和D3都為橫幅。

1.1.2 蠶繭的基本參數(shù)

若蠶繭的品種、產(chǎn)地、氣候條件以及飼料不同，繭殼顏色、厚度和性能也會有所差異。對桑蠶繭和柞蠶繭兩個品種蠶繭的繭殼規(guī)格進行測量，主要有3個表征參數(shù)，分別是縱幅、橫幅和厚度。每種蠶繭隨機抽取10個樣品，每個樣品分別測量5次。

1.2 蠶繭繭層形貌表征

采用臺式掃描電子顯微鏡（Hitachi TM3030）對各級繭層的形貌進行觀察。各級的繭絲纖維直徑可以通過Image J軟件進行測量，各層蠶絲纖維測試50次，計算平均值和標準偏差。

1.3 力學(xué)性能表征

通過萬能材料試驗機（Instron-5967）測試了兩種蠶繭繭殼的力學(xué)性能，在0°、45°和90°方向上螺旋式剪取條狀式樣，長40mm，寬10mm，加持距離20mm，拉伸速度20mm/min。每種蠶繭在各個方向上分別測試10次，并取平均值。

1.4 孔隙率測試

通過吸液法測試蠶繭的孔隙率，測試5次，取平均值。其孔隙率P的計算方法見式（1），其中正丁醇的密度為0.808 g/cm3。

P/%=M/ρM/ρ+M′/ρ′×100（1）

式中：M為蠶繭吸收的正丁醇質(zhì)量，g;M′為蠶繭烘干后的質(zhì)量，g;ρ為正丁醇密度，g/cm3;ρ′為蠶繭的密度，g/cm3。

1.5 透氣性能測試

將蠶繭置于全自動氣量儀（YG461E-Ⅲ）上測試其透氣性，測試面積5cm2，壓力差100Pa，每種蠶繭繭殼的繭身和頭端正反面各測試3次，求取平均值。

1.6 蠶繭熱傳導(dǎo)性能

使用Temp&Hum Chamber T/C1000-70測試兩種蠶繭繭殼的熱傳導(dǎo)性能。降溫實驗溫度從50℃降到20℃，降溫速率2.5℃/min，并繪制其降溫曲線。

2 討論與結(jié)果

2.1 蠶繭外觀形貌

圖2顯示了兩種蠶繭的形貌，通過圖2可以清晰地看出，桑蠶繭呈現(xiàn)白色，而柞蠶繭呈現(xiàn)深棕色。蠶繭多為中端粗，兩端鈍的長橢圓形。兩種蠶繭的外層都有一層較為稀疏的繭衣包裹著，其中柞蠶繭的外繭衣有較多的褶皺，這是因為相比于桑蠶繭，柞蠶繭的生存環(huán)境會接觸到更多的陽光，較高的溫度使外層絲干燥較快，收縮大[17]。柞蠶繭除了繭衣、繭層、蠶蛹和蛻皮之外，還有獨特的繭柄構(gòu)造。

蠶繭的規(guī)格差異跟品種和飼養(yǎng)環(huán)境有著很大的聯(lián)系。通過對蠶繭的縱幅和橫幅的測量得到表1。從表1可知柞蠶繭的體積較大，但在厚度上與桑蠶繭相近。

2.2 蠶繭繭層形貌表征

蠶繭是具有多孔層級結(jié)構(gòu)的天然材料，通過絲膠來實現(xiàn)層與層之間的黏合。將蠶繭繭殼進行分層發(fā)現(xiàn)，桑蠶繭可分成8層，而柞蠶繭可分成5層。桑蠶繭、柞蠶繭的各層電鏡分別如圖3、圖4所示。

圖3、圖4分別展示了桑蠶繭和柞蠶繭各層的表面形貌，按照字母排列的順序各層從外往內(nèi)依次排列，a為最外層。由圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，無論是桑蠶繭還是柞蠶繭，繭絲都是由兩根單絲組成，其外層由絲膠包裹。從外層往內(nèi)層看，蠶絲越來越均勻，并且其結(jié)合程度越來越致密，孔洞也越來越少。此外，觀察圖4中a右上角可以發(fā)現(xiàn)，柞蠶繭最外層表面附著了草酸鈣晶體，尤其是柞蠶絲纖維相互交叉的縫隙里。這些晶體的存在增加了柞蠶繭在野外存活的概率[12，18]。草酸鈣是蠶在結(jié)繭過程中留下的排泄物，有助于繭的耐水性，具有控制氣體進出繭殼的功能。此外，該物質(zhì)分布在蠶繭外層，能夠有效地吸收紫外輻射，為柞蠶繭提供了抵御外界侵害和惡劣環(huán)境的能力。

為了進一步觀察各層的蠶絲直徑變化，采用Image J軟件對蠶絲直徑進行測量。測量結(jié)果和直徑變化趨勢如圖5所示。從圖5可得，桑蠶絲比柞蠶絲細，并且在蠶絲的均勻性上也有一定的優(yōu)勢。兩種蠶繭的直徑隨著層數(shù)由外到內(nèi)呈現(xiàn)整體減小的趨勢，而最外層a的平均直徑相比于b、c兩層都要小，是因為蠶吐絲由外層漸及內(nèi)層，層層繭絲干燥并收縮，最外層的繭衣排列較為凌亂，繭絲纖維細且脆[19-20]。

2.3 蠶繭力學(xué)性能表征

作為蠶到蠶蛾的蛻變過程中重要的囊形保護層，蠶繭應(yīng)該具備良好的力學(xué)性能，以避免天敵或獵食者的攻擊，起到保護作用[21]。因此，測試了兩種蠶繭在3個方向上的力學(xué)性能，圖6分別展示了兩種蠶繭在0°、45°和90°方向上的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表2為統(tǒng)計結(jié)果。

由表2可知，柞蠶繭的斷裂強度和斷裂伸長要遠遠大于桑蠶繭，最高的強度達到了66.07MPa，最大伸長能達到39.30%，可見柞蠶繭是一種韌性和高強兼?zhèn)涞奶烊徊牧?。兩種蠶繭在0°方向的斷裂強度為3個方向上最優(yōu)，這是由于在該方向上蠶繭的自然曲率最大，可承受的外力大。此外，每個方向上不同的斷裂伸長和斷裂強度也與該處的曲率有關(guān)系。

2.4 蠶繭孔隙率表征

蠶繭內(nèi)層具有孔隙，這些孔隙保證著蠶繭內(nèi)部的蠶蛹能夠正常呼吸，進行氣體交換[22]。通過吸液法測量蠶繭的孔隙率，其原理是將蠶繭吸收正丁醇的體積轉(zhuǎn)化為孔隙的體積，從而根據(jù)蠶繭的密度來計算孔隙率的一種方法。剪取20 mm×20 mm規(guī)格大小的蠶繭，測量其厚度，并稱量烘干后的質(zhì)量，得出蠶繭繭殼的平均密度。兩種蠶繭的密度和孔隙率結(jié)果見表3。

從表3中可以看出，柞蠶繭的密度大于桑蠶繭，幾乎接近2倍?？紫堵适侵感Q繭中孔隙的體積與蠶繭總體積的比值，孔隙率越大，說明氣體透過繭層的幾率越大，透氣性越好。桑蠶繭的孔隙率大于柞蠶繭，也進一步說明了桑蠶繭的透氣性比柞蠶繭好。

2.5 蠶繭透氣性能表征

氣體分子穿透材料的性能稱作透氣性，通常用透氣率來表征。測試部位為蠶繭繭身和頭端的正反面。采用如圖7的4種測試方式，圖7（a）、圖7（b）分別測量了柞蠶繭繭身正、反面的透氣性，圖7（c）、圖7（d）分別測量了柞蠶繭頭端正、反面的透氣性。但由于桑蠶繭頭端尺寸太小，無法進行測量，因此沒有列出桑蠶繭頭端正反兩面的透氣性數(shù)據(jù)。

圖8為蠶繭透氣性能測試結(jié)果。從圖8中可以看出兩種蠶繭繭身的透氣性明顯要好于頭端，反面的透氣性要優(yōu)于正面，氣體流出的速度低于進入的速度，在保證氣體循環(huán)的同時形成隔熱層，因此蠶繭具有優(yōu)異的保暖性。透氣性越小，保暖性越好。桑蠶繭的透氣率要高于柞蠶繭，與孔隙率結(jié)果吻合。

2.6 蠶繭熱傳導(dǎo)性能

圖9描述了降溫過程中繭內(nèi)的溫度變化，可以看出當環(huán)境溫度從50℃降低到20℃時，繭內(nèi)部的溫度變化緩慢，這表明繭層具有一定程度的溫度緩沖作用。在降溫過程中，柞蠶繭擁有較大的溫度滯后性，表現(xiàn)出了較大的熱阻。在經(jīng)過一段時間的緩沖后，繭的內(nèi)部溫度趨于環(huán)境溫度。熱導(dǎo)率與厚度有一定關(guān)系，但在本實驗中，兩種蠶繭的厚度近似（見表1），可排除該因素。此外，Hieber[23]表明，繭壁的大小在其熱防護中也起著至關(guān)重要的作用。柞蠶繭內(nèi)部足夠大的體積使其具有更好的熱緩沖能力。總之，優(yōu)異的隔熱性能歸功于它的層級結(jié)構(gòu)。

2.7 基于蠶繭層級結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計

通過以上對蠶繭結(jié)構(gòu)和性能的研究，設(shè)計了一款具有蠶繭層級的隔熱服結(jié)構(gòu)，如圖10所示。隔熱層采用蠶繭狀層級結(jié)構(gòu)，外層的紗線/纖維細度大于內(nèi)層的紗線/纖維細度，其排列分布由外往內(nèi)越來越致密，且隔熱層需要有一定的厚度。因此，當外界突然降溫時，高溫氣體通過蠶繭狀層級結(jié)構(gòu)時，瞬時產(chǎn)生一定的熱阻，溫度呈現(xiàn)“曲折路徑”[22]逐級降低的趨勢，且降溫的速度相較外界的溫度變化更加緩慢，直至與人體溫度相近，并且一直維持人體溫度。此外，各層級間的孔洞為氣體提供了流通通道，保證蠶繭具有透氣透濕性能。

3 結(jié) 論

通過對桑蠶繭和柞蠶繭兩種代表性蠶繭繭殼結(jié)構(gòu)和性能的測試與分析，得出以下結(jié)論：

a）桑蠶繭和柞蠶繭都顯示出較好的孔隙率和平均透氣率，具有良好的保暖性。

b）柞蠶繭的力學(xué)性能明顯優(yōu)于桑蠶繭，其中柞蠶繭的斷裂強力高達66.07MPa;熱傳導(dǎo)實驗結(jié)果可以看出，兩種蠶繭具有一定程度的溫度緩沖作用，且柞蠶繭的熱阻比桑蠶繭大。

c）仿生設(shè)計了一種與蠶繭層級相似的特殊結(jié)構(gòu)，其能使隔熱服兼?zhèn)鋬?yōu)異的隔熱性能和透氣透濕性能。

參考文獻：

[1]HUANG W W， LING S J， LI C M， et al. Silkworm silk-based materials and devices generated using bio-nanotechnology [J]. Chemical Society Reviews， 2018，47（17）：6486-6504.

[2]SOMMER M R， SCHAFFNER M， CARNELLI D， STUDART A R. 3D Printing of Hierarchical Silk Fibroin Structures [J]. Acs Applied Materials & Interfaces， 2018，8（50）：34677-34685.

[3]余博文，肖信香，朱文清，等.柞蠶繭耐酸堿性能研究[J].武漢紡織大學(xué)學(xué)報，2015，28（6）：6-9.

[4]WEGST U G K， BAI H， SAIZ E， et al. Bioinspired structural materials [J]. Nature Materials， 2015，14（1）：23-36.

[5]TAO H， KAPLAN D L， OMENETTO F G. Silk materials： A road to sustainable high technology [J]. Advanced Materials， 2012，24（21）：2824-2837.

[6]KWAK H W， EOM J， CHO S Y， et al. High-toughness natural polymer nonwoven preforms inspired by silkworm cocoon structure [J]. International Journal of Biological Macromolecules， 2019，127：146-152.

[7]ZHOU B， WANG H L. Structure and functions of cocoons constructed by eri silkworm [J]. Polymers， 2020，12（11）：2701，

[8]YU K， LAN G， LU B， et al. Evaluation of artificial skin made from silkworm cocoons [J]. Journal of Materials Science， 2017，52（9）：5435-5448.

[9]CHEN F J， PORTER D， VOLLRATH F. Morphology and structure of silkworm cocoons [J]. Materials Science and Engineering C， 2012，32（4）：772-778.

[10]DU S， LI J L， ZHANG J， WANG X G. Microstructure and mechanical properties of silk from different components of the Antheraea pernyi cocoon [J]. Materials & Design， 2015，65：766-771.

[11]GUAN J， ZHU W S， LIU B H， et al. Comparing the microstructure and mechanical properties of Bombyx mori and Antheraea pernyi cocoon composites [J]. Acta Biomaterialia， 2017，47：60-70.

[12]ROY M， MEENA S K， KUSURKAR T S， et al. Carbondioxide gating in silk cocoon [J]. Biointerphases， 2012，7：1-4.

[13]CHEN F J， PORTER D， VOLLRATH F. Structure and physical properties of silkworm cocoons [J]. Journal of The Royal Society Interface， 2012，9（74）：2299-2308.

[14]CHEN F J， PORTER D， VOLLRATH F. Silk cocoon（Bombyx mori）： Multi-layer structure and mechanical properties [J]. ACTA Biomaterialia， 2012，8（7）：2620-2627.

[15]CHEN F J， PORTER D， VOLLRATH F. Silkworm cocoons inspire models for random fiber and particulate composites [J]. Physical Review E， 2010，82（4）：1-6.

[16]孫衛(wèi)紅，廖藝真，梁曼，等.蠶繭表面圖像等效階梯柱面展開[J].中國圖象圖形學(xué)報，2020，25（3）：498-506.

[17]李夢茹.基于柞蠶繭繭層微結(jié)構(gòu)的仿生復(fù)合保溫紡織品的設(shè)計與研究[D].武漢：武漢紡織大學(xué)，2017.

[18]肖信香，余博文，朱文清，等.天然柞蠶繭基本性能研究[J].武漢紡織大學(xué)學(xué)報，2015，28（3）：5-9.

[19]絲綢文化與產(chǎn)品編寫組.蠶絲的來源（2）：蠶繭的形成[J].現(xiàn)代絲綢科學(xué)與技術(shù)，2017，32（4）：34-35.

[20]黃國瑞.蠶繭為什么會有縮皴？[J].蠶桑通報，1982（2）：58-59.

[21]ZHANG J， KAUR J， RAJKHOWA R， et al. Mechanical properties and structure of silkworm cocoons： A comparative study of Bombyx mori， Antheraea assamensis， Antheraea pernyi and Antheraea mylitta silkworm cocoons [J]. Materials Science and Engineering C， 2013，33（6）：3206-3213.

[22]HORROCKS N P C， VOLLRATH F， DICKO C. The silkmoth cocoon as humidity trap and waterproof barrier [J]. Comparative Biochemistry and Physiology a-Molecular & Integrative Physiology， 2013，164（4）：645-652.

[23]HIEBER C S. The insulation layer in the cocoons of Argiope aurantia [J]. Journal of Thermal Biology， 1985，10（3）：171-175.

收稿日期：2020-09-10 網(wǎng)絡(luò)出版日期：2021-04-16

基金項目：中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科技指導(dǎo)性項目（2019010）;南通市科技計劃項目（JC2019009）

作者簡介：莫曉璇（1996-），女，浙江杭州人，碩士研究生，主要從事仿生紡織品方面的研究。

通信作者：劉福娟，E-mail：liufujuan@suda.edu.cn