木薯蠶絲結(jié)構(gòu)與性能表征

楊瑩瑩， 呂智寧， 田 偉， 祝成炎

(浙江理工大學(xué) 紡織纖維材料與加工技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310018)

木薯蠶絲結(jié)構(gòu)與性能表征

楊瑩瑩， 呂智寧， 田 偉， 祝成炎

(浙江理工大學(xué) 紡織纖維材料與加工技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310018)

為研究木薯蠶絲的結(jié)構(gòu)和性能，采用掃描電鏡、紅外光譜、X射線衍射、力學(xué)性能等儀器與測(cè)試方法對(duì)桑蠶絲、柞蠶絲及木薯蠶絲的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果表明：木薯蠶絲的形貌結(jié)構(gòu)與柞蠶絲相似，木薯蠶絲表面有縱向的條紋及塊狀或顆粒狀的結(jié)晶物，橫截面面積較大且扁平，而桑蠶絲表面光滑，橫截面較圓整；木薯蠶絲與柞蠶絲中存在Ala-Ala-Ala結(jié)構(gòu)，而桑蠶絲不存在，可利用特征吸收峰區(qū)分不同品種蠶絲；木薯蠶絲既有α-螺旋結(jié)構(gòu)，又有β-折疊結(jié)構(gòu)，并以β-折疊結(jié)構(gòu)為主，顯示出了高度的結(jié)晶β-折疊結(jié)構(gòu)；桑蠶絲、柞蠶絲、木薯蠶絲的線密度分別為3.13、6.13 、4.18 dtex；木薯蠶絲的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率均高于桑蠶絲，與柞蠶絲接近，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

桑蠶絲； 柞蠶絲； 木薯蠶絲； 結(jié)構(gòu)； 性能

蠶是一種能吐絲結(jié)繭的昆蟲，主要品種有桑蠶、柞蠶、天蠶、蓖麻蠶等，木薯蠶是以木薯葉為飼料飼養(yǎng)的蓖麻蠶[1]。1956年，人們成功利用木薯葉飼養(yǎng)蓖麻蠶，解決了蓖麻蠶飼料不足的問(wèn)題，木薯蠶飼養(yǎng)已廣泛推廣于廣東、廣西、福建、安徽等地[2]。其中，廣西木薯種植面積占全國(guó)的60%以上，每年可生產(chǎn)繭皮300多噸，但由于化纖的興起及國(guó)內(nèi)絹絲市場(chǎng)不景氣等因素，我國(guó)木薯蠶的發(fā)展經(jīng)歷2度衰退[3-4]。近年來(lái)，人們開始追求綠色健康時(shí)尚的紡織用品，因木薯蠶絲可紡性好，疵點(diǎn)少，織成的絹綢綢面清晰，手感柔軟平挺，具有獨(dú)特的風(fēng)格[5]，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)深受消費(fèi)者的喜愛，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

目前我國(guó)用作紡織原料的蠶絲主要有桑蠶絲和柞蠶絲，木薯蠶絲僅有少量被用來(lái)拉制蠶絲被，造成了資源的極大浪費(fèi)。究其原因一方面是我國(guó)木薯蠶繭皮供應(yīng)量不穩(wěn)定，另一方面是由于對(duì)木薯蠶絲的系統(tǒng)研究較少。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)桑蠶絲和柞蠶絲的結(jié)構(gòu)與性能研究已取得了顯著的成果，但對(duì)木薯蠶絲的研究鮮有報(bào)道[6-8]。為進(jìn)一步了解木薯蠶絲的結(jié)構(gòu)與性能，提高木薯蠶絲的資源利用率，本文利用掃描電鏡、紅外光譜、X射線衍射等測(cè)試方法，對(duì)桑蠶絲、柞蠶絲、木薯蠶絲的宏、微觀形貌結(jié)構(gòu)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，為后續(xù)木薯蠶絲紡紗、織造等工藝過(guò)程的順利進(jìn)行及獲得高品質(zhì)絲綢面料提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

桑蠶繭、柞蠶繭(海鹽金溢絹紡有限責(zé)任公司)、木薯蠶繭(丹東邊境經(jīng)濟(jì)合作區(qū)寶力實(shí)業(yè)有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

OLYMPUS VANOX AHB-K1型萬(wàn)能顯微鏡(日本OLYMPUS)，TM3000型掃描電子顯微鏡(日本日立)，JFC-1600型粒子放射儀(JEOL公司)，VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀(PERKIN ELMER)，769YP-15A型手動(dòng)粉末壓片機(jī)(天津市科器高新技術(shù)公司)，ARL XTRA型X射線衍射儀(THERMO ARL)，XD-1型纖維線密度儀(上海利浦應(yīng)用科學(xué)技術(shù)研究所)，XQ-2型纖維強(qiáng)伸度儀(萊州市電子儀器有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 形貌觀察

采用萬(wàn)能顯微鏡和日本掃描電子顯微鏡對(duì)3種蠶絲的縱向及橫截面進(jìn)行觀察，采用顯微粒度分析儀軟件測(cè)量繭絲長(zhǎng)、短徑以及截面積的尺寸(每種樣品均隨機(jī)選擇50根繭絲)，根據(jù)下式計(jì)算繭絲的扁平度(M)。

式中：a為繭絲的長(zhǎng)徑，μm；b為繭絲的短徑，μm。

1.3.2 紅外光譜測(cè)試

利用纖維切片器分別制得試樣粉末，與溴化鉀混合后再制成溴化鉀壓片，在VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀上進(jìn)行測(cè)試，得到3種蠶絲的紅外吸收光譜圖。

1.3.3 結(jié)晶結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用ARL XTRA型X射線衍射儀測(cè)定3種蠶絲的X射線圖譜，測(cè)試條件為：Ni濾波，Cu靶面Kα射線，管電壓為4.0 kV，管電流為35 mA，掃描速度為2(°)/min，2θ在5°～50°范圍內(nèi)進(jìn)行。

1.3.4 線密度測(cè)定

按照GB/T 16256—2008 《紡織纖維 線密度試驗(yàn)方法 振動(dòng)儀法》，利用XD-1纖維線密度儀測(cè)定3種蠶絲的線密度，每個(gè)試樣測(cè)50次。

1.3.5 力學(xué)性能測(cè)試

利用XQ-2型纖維強(qiáng)伸度儀，分別測(cè)定了3種蠶絲的力學(xué)性能。測(cè)試條件為：拉伸速度200 mm/min；伸長(zhǎng)范圍100%；隔距20 mm；預(yù)加張力0.05 cN/dtex；每個(gè)試樣測(cè)20次。

2 結(jié)果與討論

2.1 木薯蠶絲的形貌結(jié)構(gòu)

圖1示出3種蠶絲的光學(xué)顯微鏡圖片。從圖中可看出，桑蠶絲表面較光滑，橫截面為不規(guī)則銳角三角形或鈍角三角形，柞蠶絲表面存在縱向條紋，橫截面呈扁平的橢圓形，線密度均勻性差，表面有凸節(jié)，而木薯蠶絲表面存在大量縱向條紋，截面形狀為不規(guī)則的鈍三角形或扁平狀，蠶絲的中央麻點(diǎn)較明顯。與桑蠶絲、柞蠶絲相比，木薯蠶絲表面存在較多的縱向條紋，橫截面為扁平的橢圓形。

為進(jìn)一步分析3種蠶絲的微觀形貌結(jié)構(gòu)，采用掃描電鏡觀察了3種蠶絲的表面和橫截面，如圖2所示。由圖可見，木薯蠶絲的表面和橫截面形貌與柞蠶絲相似，木薯蠶絲與柞蠶絲的表面均存在縱向的凹槽，木薯蠶絲的較明顯，2種蠶絲表面有許多塊狀、顆粒狀的結(jié)晶物，橫截面形狀為不規(guī)則的鈍三角形或扁平狀，而桑蠶絲的表面光滑，細(xì)度細(xì)，橫截面呈三角形。

根據(jù)掃描電鏡圖照片，利用Image Pro Plus對(duì)不同蠶絲的細(xì)度、扁平度、截面積等指標(biāo)進(jìn)行表征，其結(jié)果如表1所示。

從表1可看出，3種蠶絲表面細(xì)度的值從大到小依次排列為：柞蠶絲>木薯蠶絲>桑蠶絲。蠶絲扁平度為短徑與長(zhǎng)徑的比值，由此可知，扁平度的值越小則表示繭絲越扁平，從表中可知3種蠶絲扁平度的值從大到小依次排列為：桑蠶絲>柞蠶絲>木薯蠶絲，即桑蠶絲最飽滿，其次為柞蠶絲，木薯蠶絲最扁平；柞蠶絲的截面積最大，木薯蠶絲的截面積與柞蠶絲相近，本文實(shí)驗(yàn)測(cè)得桑蠶絲的平均截面積是155.26 μm2。在3種蠶絲中，桑蠶絲細(xì)度較細(xì)，纖維較圓整，柞蠶絲與木薯蠶絲細(xì)度較粗且扁平，這與蠶的生活環(huán)境、絹絲腺的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)[9]，纖維的截面形狀及表面影響蠶絲的手感及風(fēng)格，木薯蠶絲橫截面較扁平且存在凹槽，使得纖維表面的反射光較弱，纖維光澤度弱于桑蠶絲。

圖1 不同蠶絲的光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.1 Optical microphotographs of different cocoon silk. (a) Longitudinal morphology of mulberry silk; (b) Cross section morphology of mulberry silk; (c) Longitudinal morphology of tussah silk;(d) Cross section morphology of tussah silk;(e) Longitudinal morphology of cassava silk; (f) Cross section morphology of cassava silk

圖2 不同種類蠶絲的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM images of different cocoon silk. (a) Longitudinal morphology of mulberry silk; (b) Cross section morphology of mulberry silk; (c) Longitudinal morphology of tussah silk;(d) Cross section morphology of tussah silk;(e) Longitudinal morphology of cassava silk; (f) Cross section morphology of cassava silk

樣品名稱表面細(xì)度/μm長(zhǎng)徑/μm短徑/μm扁平度截面積/μm2桑蠶絲960116181107115526柞蠶絲2030324990602848641木薯蠶絲1872312482002746883

2.2 紅外光譜分析

圖3示出3種蠶絲的傅里葉變換紅外光譜圖。從圖中可看出，3種蠶絲的紅外光譜圖相似，木薯蠶絲的吸收峰更接近于柞蠶絲。3種蠶絲在3 291(蛋白質(zhì)分子N—H的伸縮振動(dòng))、1 514(酰胺Ⅱα-螺旋結(jié)構(gòu))、1 445(C—H基團(tuán)的變形振動(dòng))、1 229(酰胺Ⅲβ-折疊結(jié)構(gòu))、1 162(酰胺Ⅲβ-折疊結(jié)構(gòu))、1 068、697 cm-1(酰胺Ⅴβ-折疊結(jié)構(gòu))附近都有特征吸收峰。不同的是桑蠶絲、柞蠶絲在1649 cm-1處(無(wú)規(guī)卷曲)，木薯蠶絲在1627 cm-1處(酰胺Ⅰβ-折疊結(jié)構(gòu))有特征吸收峰；桑蠶絲在997、975 cm-1處有2處吸收峰，為Ala-Gly-Ala的特征吸收，柞蠶絲、木薯蠶絲在964 cm-1處(酰胺Ⅱβ-折疊結(jié)構(gòu))有1處吸收峰，為Ala-Ala-Ala的特征吸收峰[10]；桑蠶絲在645 cm-1處(無(wú)規(guī)卷曲)有1個(gè)微弱的吸收峰，柞蠶絲、木薯蠶絲在621 cm-1(酰胺Ⅴα-螺旋結(jié)構(gòu))處有吸收峰，桑蠶絲在552 cm-1處出現(xiàn)特有吸收峰，木薯蠶絲在1317、781、517 cm-1處出現(xiàn)特有吸收峰，可根據(jù)不同蠶絲的特有吸收峰作為區(qū)分不同蠶絲的依據(jù)。

圖3 不同蠶絲的紅外光譜圖Fig.3 FT-IR spectra of different cocoon silk

2.3 結(jié)晶性能分析

對(duì)3種蠶絲進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果如圖4所示。其中 11.8°、22.0°附近為α-螺旋結(jié)構(gòu)的衍射峰，16.5°、20.2°、24.9°、30.90°、34.59°附近為β-折疊結(jié)構(gòu)的衍射峰。由圖4可看出，桑蠶絲在20.51°處有1個(gè)很強(qiáng)的衍射峰，柞蠶絲、木薯蠶絲分別在16.33°、20.30°處和16.92°、20.14°處有2個(gè)較強(qiáng)的衍射峰，在24.04°、32.34°處和24.19°、30.15°處分別有2個(gè)微弱的峰，桑蠶絲在9.20°處有1個(gè)微弱的峰。X射線衍射圖譜顯示，3種蠶絲既有α-螺旋結(jié)構(gòu)，又有β-折疊結(jié)構(gòu)，并以β-折疊結(jié)構(gòu)為主，顯示出了高度結(jié)晶的β-折疊結(jié)構(gòu)，且木薯蠶絲與柞蠶絲的結(jié)晶結(jié)構(gòu)相似。

圖4 不同蠶絲X射線衍射圖譜Fig.4 XRD spectras of different cocoon silk

2.4 蠶絲線密度分析

3種蠶絲的平均線密度、變異系數(shù)如表2所示。由表可見，3種蠶絲中柞蠶絲的線密度最大，達(dá)到6.13 dtex，木薯蠶絲的線密度比桑蠶絲稍大，為4.18 dtex，但變異系數(shù)最大，說(shuō)明木薯蠶絲線密度偏差大。這是因?yàn)椴煌O層繭絲的粗細(xì)差異大，造成蠶絲線密度測(cè)量變異系數(shù)較大。根據(jù)蠶絲截面積與線密度結(jié)果可知，蠶絲的線密度與橫截面面積有關(guān)，橫截面面積越大，蠶絲的線密度越大，但橫截面面積與線密度的值并不成正比，這是受蠶絲纖維內(nèi)部空隙的影響，且木薯蠶絲的線密度與柞蠶絲相差較大，說(shuō)明木薯蠶絲纖維內(nèi)部空隙較柞蠶絲多。

表2 不同蠶絲的平均線密度和變異系數(shù)

2.5 蠶絲的力學(xué)性能分析

不同蠶絲的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表可見，在3種蠶絲中，斷裂強(qiáng)度的值從大到小依次排列為：柞蠶絲>木薯蠶絲>桑蠶絲，即柞蠶絲拉伸到斷裂時(shí)所需的強(qiáng)力最大，其次為木薯蠶絲，桑蠶絲最??；木薯蠶絲的斷裂伸長(zhǎng)率最大，桑蠶絲最小，柞蠶絲介于兩者之間；木薯蠶絲與柞蠶絲的初始模量均大于桑蠶絲。

表3 不同蠶絲的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

蠶絲的力學(xué)性能受纖維的幾何形態(tài)、結(jié)構(gòu)等因素的影響，木薯蠶絲的截面形貌、線密度及結(jié)晶結(jié)構(gòu)與柞蠶絲相似，因而木薯蠶絲的力學(xué)性能與柞蠶絲相似。經(jīng)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，木薯蠶絲具有較高的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和初始模量，具有良好的力學(xué)性能，是優(yōu)良的紡織原料。

3 結(jié) 論

木薯蠶絲的微觀形貌與柞蠶絲相似，表面有縱向的條紋及大量塊狀或顆粒狀的結(jié)晶物，橫截面較扁平，原纖排列較疏松，這些是導(dǎo)致木薯蠶絲風(fēng)格較粗獷的原因；木薯蠶絲在958 cm-1處有特征吸收峰，在1 313 cm-1處有一個(gè)特有的吸收峰，可用來(lái)作為區(qū)分的依據(jù)；木薯蠶絲的結(jié)晶結(jié)構(gòu)與柞蠶絲相似，既有α-螺旋結(jié)構(gòu)，也有β-折疊結(jié)構(gòu)；木薯蠶絲的線密度介于桑蠶絲與柞蠶絲之間，纖維內(nèi)部有大量的空隙，木薯蠶絲的斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率與柞蠶絲接近，具有優(yōu)于桑蠶絲的力學(xué)性能。

作為天然的紡織原料，木薯蠶絲具有特殊的光澤及物理機(jī)械性能，其制品有著不同于桑蠶絲的特殊風(fēng)格。開發(fā)利用木薯蠶絲，不僅能提高木薯蠶的資源利用率，還可增加蠶絲織物品種，滿足人們對(duì)自然、綠色、時(shí)尚紡織品的追求，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

FZXB

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Structure and properties of cassava silk

YANG Yingying, Lü Zhining, TIAN Wei, ZHU Chengyan

(NationalEngineeringLabforTextileFiberMaterialsandProcessingTechnology,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

To study the structure and properties of cassava silk, the structure and properties of mulberry silk, tussah silk and cassava silk were compared by using scanning electron microscope, Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction, mechanical properties test and other test methods. The results show that the morphology structure of cassava silk is similar to tussah silk, and the surface of cassava silk has longitudinal stripes and blocks or granular crystals, and cross section thereof is relatively large and flat, while the surface of mulberry silk is smooth, and its cross section is round, cassava silk and tussah silk have Ala-Ala-Ala structure, but mulberry silk does not have the structure, thus characteristic absorption peaks can be utilized to identify different types of silk; cassava silk has α-helical structure as well as β-sheet structure, which is mainly composed of β-sheet structure of high crystallinity; mulberry silk, tussah silk and cassava silk have line density of 3.13, 6.13 and 4.18 dtex, respectively; and the breaking strength and elongation at break of cassava silk are higher than those of mulberry silk, but near to those of tussah silk, and cassava silk has mechanical properties superior to mulberry silk.

mulberry silk; tussah silk; cassava silk; structure; property

10.13475/j.fzxb.20160703205

2016-07-12

2016-12-14

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2011DFB51570)；優(yōu)秀研究生學(xué)位論文培育基金項(xiàng)目(11110932271612)

楊瑩瑩(1991—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)樾Q絲產(chǎn)品開發(fā)。祝成炎，通信作者，E-mail: cyzhu@zstu.edu.cn。

TS 102.3

A