仔鴨鴨絨的結(jié)構(gòu)與性能

劉新華， 儲(chǔ)兆洋， 李 永， 鄭宏亮

(1. 安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000； 2. 安徽省紡織行業(yè)科技公共服務(wù)平臺(tái)， 安徽 蕪湖 241000)

隨著鴨苗品種、飼料與飼養(yǎng)技術(shù)的進(jìn)步，肉用仔鴨的生長(zhǎng)周期縮短至28天。由于肉用仔鴨的肉質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)生長(zhǎng)周期為1年以上的老鴨品種，因而受到消費(fèi)者的歡迎，在國內(nèi)外市場(chǎng)所占份額越來越大[1]。近年來，肉用仔鴨品種已呈現(xiàn)逐漸淘汰其他傳統(tǒng)品種的趨勢(shì)，占據(jù)國內(nèi)80%以上的市場(chǎng)份額。

由于生長(zhǎng)周期短，肉用仔鴨羽毛絨的品質(zhì)與傳統(tǒng)生長(zhǎng)的老鴨羽毛絨相比，有較大差異。采用傳統(tǒng)羽毛絨加工技術(shù)生產(chǎn)的仔鴨羽絨產(chǎn)品，其粉塵含量高，蓬松度與保暖性、清潔度等指標(biāo)有明顯下降，產(chǎn)品品質(zhì)顯著降低，附加值降低，“三農(nóng)”效益受到較大損失，已不能滿足羽毛絨加工業(yè)生存和發(fā)展的需要。肉用仔鴨羽毛絨加工技術(shù)的創(chuàng)新成為制約羽毛絨產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。肉用仔鴨與老鴨鴨絨結(jié)構(gòu)性能的對(duì)比研究，是實(shí)現(xiàn)肉用仔鴨羽毛絨加工技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

高晶等[2]利用掃描電子顯微鏡對(duì)鵝絨與鴨絨纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，研究其獨(dú)特的分叉結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)，比較鵝絨與鴨絨在形態(tài)上存在的差別，以及由此產(chǎn)生的性能上的差異。金陽等[3]研究了羽絨的潤(rùn)濕、穩(wěn)定性等理化性能，結(jié)果表明，常溫下羽絨難以被水潤(rùn)濕，其可燃性低于纖維素纖維，耐酸性能大于耐堿性，日光和微生物對(duì)羽絨穩(wěn)定性有較大影響。本文通過采用元素分析儀、紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡、熱重分析儀、平板式保暖儀等，對(duì)老鴨和仔鴨鴨絨的元素含量、化學(xué)結(jié)構(gòu)、微觀形貌、熱穩(wěn)定性、保暖性等進(jìn)行系統(tǒng)分析，闡明老鴨與仔鴨鴨絨之間的不同點(diǎn)，以期為后續(xù)仔鴨鴨絨的高值化利用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原 料

老鴨鴨絨和仔鴨鴨絨，來源于安徽東隆羽絨股份有限公司。

1.2 元素含量及表面形貌測(cè)試

將干燥至質(zhì)量恒定的老鴨和仔鴨鴨絨噴金處理后，采用日本日立公司S-4800型掃描電子顯微鏡-能譜聯(lián)用儀對(duì)樣品元素含量及表面形貌進(jìn)行測(cè)定。并將老鴨和仔鴨鴨絨置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，采用日本尼康公司D7500型數(shù)碼相機(jī)采集其宏觀形態(tài)照片。

1.3 化學(xué)結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用日本島津公司IR Prestige-21型傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)老鴨和仔鴨鴨絨的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。測(cè)試條件：將樣品剪碎在研缽中研磨均勻，并與KBr混合，經(jīng)壓片機(jī)壓成透明薄片，測(cè)試范圍為 4 000～500 cm-1。

1.4 結(jié)晶度測(cè)試

將干燥至質(zhì)量恒定的老鴨和仔鴨鴨絨剪碎研磨均勻，采用德國布魯克公司D8系列X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)試。采用CuKα輻射，管電壓為 40 kV，管電流為300 mA，2θ值范圍為5°～60°。結(jié)晶度的計(jì)算公式為

式中：XC為結(jié)晶度，%；SC為結(jié)晶峰面積；SA為非結(jié)晶峰面積。

1.5 熱穩(wěn)定性測(cè)試

將老鴨和仔鴨鴨絨剪碎研磨均勻，各取2 mg樣品在N2保護(hù)下，利用日本島津公司DTG-60H型微機(jī)差熱天平進(jìn)行熱重測(cè)試。測(cè)試條件為：升溫速率10 ℃/min，氣體流量20 mL/min。

1.6 保暖性測(cè)試

將老鴨和仔鴨鴨絨各10 g裝入30 cm×30 cm的輕薄非織造試樣袋中，裝樣后輕輕拍打袋子使鴨絨分布均勻，避免鴨絨在袋中聚集[4]。采用溫州方圓儀器有限公司YG606D型平板式保暖儀對(duì)鴨絨的保溫率、保暖系數(shù)、克羅值進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件為：儀器預(yù)熱至(36±0.5)℃，加熱周期設(shè)為7次。非織造試樣袋較輕薄，其導(dǎo)熱可忽略不計(jì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 元素含量分析

老鴨和仔鴨鴨絨的元素組成與含量如表1所示?？芍豪哮喓妥续嗻喗q主要由C、N、O、S 4種元素組成；仔鴨鴨絨中S元素含量低，說明其二硫鍵少，可導(dǎo)致仔鴨鴨絨纖維強(qiáng)度低，粉塵含量高，影響其加工、服用性能。為實(shí)現(xiàn)仔鴨鴨絨高值化利用，必須對(duì)其表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控。

表1 老鴨和仔鴨鴨絨中主要元素含量Tab.1 Main element content in duck and duckings down %

2.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

圖1示出老鴨和仔鴨鴨絨的紅外光譜圖。

圖1 老鴨和仔鴨鴨絨的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectra of duck and duckings down

2.3 結(jié)晶度分析

利用X射線衍射分析比較老鴨和仔鴨鴨絨的結(jié)晶情況，如圖2所示?？梢钥闯?，老鴨和仔鴨鴨絨在9.8°(晶面間距為0.98 nm)和19.8°(晶面間距為0.47 nm)處各有1個(gè)衍射峰，此雙衍射峰是由鴨絨角蛋白中的α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的[5-6]。結(jié)晶結(jié)構(gòu)含量可通過衍射峰的強(qiáng)度來表征，從圖中可知，老鴨鴨絨在9.8°附近處的衍射峰強(qiáng)度明顯高于仔鴨鴨絨，說明老鴨鴨絨中α-螺旋結(jié)構(gòu)含量較高。根據(jù)結(jié)晶度計(jì)算公式得到老鴨鴨絨結(jié)晶度為60.8%，仔鴨鴨絨結(jié)晶度為54.6%。由此可得出，老鴨鴨絨的結(jié)晶度大于仔鴨鴨絨。結(jié)晶度越大，纖維分子排列越規(guī)整，吸濕性低，使得老鴨鴨絨蓬松性好，具有較好的服用性能。

圖2 老鴨和仔鴨鴨絨的XRD圖譜Fig.2 XRD spectra of duck and duckings down

2.4 表面形貌分析

圖3示出老鴨和仔鴨鴨絨的表面宏觀形態(tài)照片?？芍?，老鴨和仔鴨鴨絨纖維都以朵絨的形式存在且不含羽軸，朵絨形態(tài)大體一致，均呈半球形。朵絨的主要組成部分是絨枝，從圖中觀察可知，老鴨鴨絨的絨枝數(shù)量和長(zhǎng)度均大于仔鴨鴨絨。一般情況下，單個(gè)老鴨朵絨中絨枝的數(shù)量為65～100根，單個(gè)仔鴨朵絨中絨枝的數(shù)量為15～40根；老鴨鴨絨絨枝長(zhǎng)度為10.2～30.3 mm，直徑為8.71～38.40 μm；仔鴨鴨絨絨枝的長(zhǎng)度為8.2～22.1 mm，直徑為 7.53～25.10 μm。

圖3 老鴨和仔鴨鴨絨的宏觀形態(tài)照片(×1 000)Fig.3 Macro-morphology of duck(a)and duckings(b)down(×1 000)

圖4示出老鴨和仔鴨鴨絨絨枝的微觀形貌照片。老鴨和仔鴨鴨絨絨枝表面凹凸不平，存在深淺不一的突起和內(nèi)陷結(jié)構(gòu)，老鴨鴨絨絨枝表面徑向溝槽與仔鴨相比十分明顯，并且溝槽深度大于仔鴨鴨絨，二者溝紋均呈無規(guī)律分布。

圖4 老鴨和仔鴨鴨絨絨枝的掃描電鏡照片(×6 000)Fig.4 SEM images of down branch of duck(a) and ducking(b) down(×6 000)

老鴨和仔鴨鴨絨中每根絨枝上都生長(zhǎng)著大量絨小枝，絨小枝在絨枝上呈有規(guī)律的平行交叉排列，如圖5所示。絨小枝從絨枝表面長(zhǎng)出后，其截面形狀和直徑隨著絨小枝上位置的不同而不同，從絨小枝根處到其末梢，截面形狀由扁平狀過渡到圓柱狀[7]，直徑從大變小。老鴨和仔鴨鴨絨絨小枝的形態(tài)大體相似，一般老鴨絨小枝的長(zhǎng)度為328～ 1 830 μm，直徑為2.67～13.8 μm；仔鴨絨小枝的長(zhǎng)度為208～1 343 μm，直徑為2.44～9.15 μm。

圖5 老鴨和仔鴨鴨絨絨小枝的掃描電鏡照片(×400)Fig.5 SEM images of down fihrils of duck(a) and duckings(b) down(×400)

圖6示出老鴨和仔鴨鴨絨絨小枝的表面微觀形貌照片。老鴨絨小枝的表面較為光滑，溝槽徑向較為明顯，溝紋呈有規(guī)律的平行排列。仔鴨絨小枝表面較為粗糙，凹凸不平，沒有明顯的徑向溝槽，也無明顯溝紋。

圖6 老鴨和仔鴨鴨絨絨小枝的掃描電鏡照片(×4 000)Fig.6 SEM images of down fihrils of duck(a) and duckings down(b) (×4 000)

在鴨絨絨小枝的表面存在間隔一定距離的骨節(jié)，骨節(jié)的形狀隨鴨絨的生長(zhǎng)狀況以及在絨小枝上位置的不同而有較大變化[8]，一般靠近絨小枝根部的節(jié)點(diǎn)大都為三角形節(jié)點(diǎn)，靠近絨小枝梢部的節(jié)點(diǎn)大都為叉狀節(jié)點(diǎn)，其掃描電鏡照片如圖7、8所示。

圖7 老鴨和仔鴨鴨絨三角形節(jié)點(diǎn)的掃描電鏡照片(×1 200)Fig.7 SEM images of triangle node of duck(a) and duckings(b) down(×1 200)

圖8 老鴨和仔鴨鴨絨叉狀節(jié)點(diǎn)的掃描電鏡照片(×800)Fig.8 SEM images of crotch node of duck(a) and duckings(b) down(×800)

隨著鴨絨成熟狀況不同，老鴨和仔鴨絨小枝中三角形節(jié)點(diǎn)和叉狀節(jié)點(diǎn)的大小、數(shù)量、節(jié)點(diǎn)之間的間距也不同。一般老鴨叉狀節(jié)點(diǎn)的直徑為3.23～ 7.37 μm，數(shù)量為0～9個(gè)，間距為28.8～50.4 μm；仔鴨叉狀節(jié)點(diǎn)的直徑為2.39～4.24 μm，數(shù)量為0～ 6個(gè)，間距為14.3～46.0 μm；老鴨三角形節(jié)點(diǎn)的直徑為17.6～29.4 μm，數(shù)量為0～6個(gè)，間距為 26.8～67.4 μm；仔鴨三角形節(jié)點(diǎn)的直徑為8.37～21.1 μm，數(shù)量為0～4個(gè)，間距為11.1～50.3 μm。

鴨絨纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)影響其服用性能。鴨絨表面的絨枝和絨小枝分布密集，不僅起到支撐朵絨的作用，還大大增加了其比表面積，從而使鴨絨纖維中夾持的空氣更多，保暖性增加；鴨絨表面的節(jié)點(diǎn)可對(duì)鴨絨纖維的回彈壓縮起到支撐作用，使纖維更加柔軟，服用性能更好。

2.5 熱穩(wěn)定性分析

利用熱重分析得到的初始熱分解溫度、質(zhì)量損失速率及對(duì)應(yīng)的質(zhì)量損失率分析比較老鴨鴨絨與仔鴨鴨絨的熱穩(wěn)定性，結(jié)果如圖9所示?？芍豪哮嗻喗q的初始熱分解溫度為221 ℃，620 ℃時(shí)分解完全；221 ℃之前質(zhì)量損失9%，是由鴨絨中的水分揮發(fā)引起的，221 ℃以后的質(zhì)量損失是由于一些不穩(wěn)定的官能團(tuán)及化學(xué)鍵斷裂[9-10]，相對(duì)分子質(zhì)量低的物質(zhì)的降解，以及鴨絨角蛋白受熱分解成揮發(fā)性化合物H2O、CO2、H2S等小分子物質(zhì)引起的[11]。仔鴨鴨絨初始熱分解溫度為220 ℃，590 ℃時(shí)分解完畢。比較二者曲線發(fā)現(xiàn)：其初始熱分解溫度相當(dāng)；在220～510 ℃范圍內(nèi)，老鴨鴨絨質(zhì)量損失67%，仔鴨鴨絨質(zhì)量損失67.3%，且仔鴨鴨絨的質(zhì)量損失速率高于老鴨鴨絨。綜上所述，老鴨鴨絨的熱穩(wěn)定性高于仔鴨鴨絨。

圖9 老鴨和仔鴨鴨絨的TG分析Fig.9 TG curves of duck and duckings down

2.6 保暖性分析

鴨絨纖維的保暖性可通過保溫率、克羅值和傳熱系數(shù)的測(cè)量得出，其中，克羅值越大，傳熱系數(shù)越小，保暖性越好[12]，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)見表2?？芍?，老鴨鴨絨的保暖性優(yōu)于仔鴨鴨絨，因此，仔鴨鴨絨一般可用于中低檔羽絨制品中。

表2 老鴨和仔鴨鴨絨的保暖性Tab.2 Warmth of duck and duckings down

3 結(jié) 論

1)仔鴨鴨絨中S元素含量低，說明其二硫鍵含量少，使得仔鴨鴨絨纖維強(qiáng)度低，粉塵含量高，影響其加工、服用性能。

2)老鴨鴨絨的結(jié)晶度大于仔鴨鴨絨，因此，老鴨鴨絨吸濕性低，蓬松性好。

3)老鴨鴨絨分叉結(jié)構(gòu)與仔鴨鴨絨有明顯的區(qū)別。老鴨鴨絨絨枝的數(shù)量、直徑和長(zhǎng)度均大于仔鴨鴨絨，其絨小枝的直徑和長(zhǎng)度均大于仔鴨鴨絨，老鴨鴨絨絨小枝中三角形節(jié)點(diǎn)和叉狀節(jié)點(diǎn)的大小、數(shù)量、節(jié)點(diǎn)之間的間距均大于仔鴨鴨絨。這導(dǎo)致仔鴨鴨絨纖維中夾持的空氣少于老鴨鴨絨，仔鴨鴨絨的保暖性差于老鴨鴨絨，因此，仔鴨鴨絨一般可用于中低檔羽絨產(chǎn)品中。