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        酸堿處理對(duì)天蠶絲結(jié)構(gòu)與性能的影響

        2012-12-20 08:25:10徐淑萍宗亞寧
        關(guān)鍵詞:力學(xué)性能

        徐淑萍,宗亞寧

        (中原工學(xué)院,鄭州450007)

        天蠶(Antheraea yamamai),又名山蠶或日本柞蠶,屬節(jié)肢動(dòng)物門昆蟲(chóng)綱鱗翅目天蠶蛾科天蠶種,主要分布于中國(guó)、朝鮮、韓國(guó)、日本等地.天蠶絲性能優(yōu)異,呈獨(dú)特的天然湖綠色,光澤優(yōu)美,不褪色,伸長(zhǎng)度比桑蠶絲好,被視為珍品,有“絲中之王”、“絲中鉆石”、“夢(mèng)的纖維”等美稱[1-2].

        天蠶絲因其特有的色澤、產(chǎn)量極低以及價(jià)格昂貴等特點(diǎn)而更多地應(yīng)用于服裝的裝飾、點(diǎn)綴,具有較高的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值.天蠶絲具有良好的生物適應(yīng)性和保健功能[3].

        目前國(guó)際上對(duì)天蠶絲的研究較少,僅對(duì)天蠶絲的氨基酸組成、外觀形貌、力學(xué)性能及熱學(xué)性能進(jìn)行了一些研究[4-5].本文主要對(duì)經(jīng)酸堿處理前后天蠶絲的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行研究,為天蠶絲應(yīng)用和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)資料.

        1 實(shí) 驗(yàn)

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

        實(shí)驗(yàn)材料:天蠶絲5.2dtex.

        實(shí)驗(yàn)儀器:表面皿、烘箱(Y802l)、D/max-2550 PC 18kW轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀、XQ-1型纖維強(qiáng)力拉伸儀.

        1.2 樣品制備與測(cè)試分析

        1.2.1 酸處理

        稱取一定量的天蠶絲樣品,分別用0.1mol/L、0.5mol/L、1mol/L、2mol/L、5mol/L的鹽酸溶液處理,浴比均為1∶50,處理溫度均為30℃,處理時(shí)間均為60min,然后用蒸餾水將樣品洗凈,均在50℃的烘箱內(nèi)烘干.

        1.2.2 堿處理

        稱取一定量的天蠶絲樣品,分別用0.01mol/L、0.02mol/L、0.05mol/L、0.1mol/L、0.5mol/L的氫氧化鈉溶液處理,浴比均為1∶50,處理溫度均為30℃,處理時(shí)間均為60min,然后用蒸餾水將樣品洗凈,均在50℃的烘箱內(nèi)烘干.

        1.3 拉伸性能測(cè)試

        將熱處理后的樣品在大氣條件(溫度20℃,相對(duì)濕度65%)下平衡24h后,在XQ-1型纖維強(qiáng)力拉伸儀上測(cè)試其拉伸性能,每組測(cè)試?yán)w維25根.拉伸隔距為10mm,拉伸速度為5mm/min,測(cè)試條件為實(shí)驗(yàn)室大氣條件(溫度20℃,相對(duì)濕度65%).測(cè)試指標(biāo)主要為斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)、初始模量、斷裂功[6].

        1.4 結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析

        將潔凈干燥的纖維樣品剪成粉末狀,置于干凈的稱量紙上,做好標(biāo)記.用D/max-2550PC 18kW轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀測(cè)定其結(jié)構(gòu)[6].將纖維粉末安放在玻璃樣品架上,測(cè)試條件為:Ni濾波,Cu靶Kα射線,管壓40kV,管流40mA,掃描速度2°/min,掃描角度5~60°.

        2 結(jié)果分析

        2.1 天蠶絲拉伸性能

        天蠶絲與同屬腺分泌類的桑蠶絲、柞蠶絲的力學(xué)性能比較如表1所示[6].

        由表1可以看出,天蠶絲的斷裂強(qiáng)度最小,桑蠶絲與柞蠶絲的斷裂強(qiáng)度基本相同;天蠶絲的斷裂伸長(zhǎng)最大,柞蠶絲的斷裂伸長(zhǎng)較大,桑蠶絲的斷裂伸長(zhǎng)最??;天蠶絲的初始模量最低,柞蠶絲的初始模量較低,桑蠶絲的初始模量最高;天蠶絲的斷裂功最大,桑蠶絲的斷裂功最小.纖維的力學(xué)性能與其化學(xué)結(jié)構(gòu)及結(jié)晶度有關(guān),結(jié)晶度高,則斷裂強(qiáng)度較大,斷裂伸長(zhǎng)較小.

        表1 天蠶絲、柞蠶絲和桑蠶絲的力學(xué)性能

        用XQ-1型纖維強(qiáng)力拉伸儀對(duì)3種纖維進(jìn)行測(cè)試并計(jì)算,天蠶絲、柞蠶絲、桑蠶絲的結(jié)晶度分別為40.07%、44.9%、50.35%.可以看出,天蠶絲的結(jié)晶度是造成其拉伸性能與桑蠶絲、柞蠶絲有較大差異的主要原因.

        2.2 酸堿處理對(duì)天蠶絲拉伸性能的影響

        酸處理前后天蠶絲的力學(xué)性能如表2所示;堿處理前后天蠶絲的力學(xué)性能如表3所示.

        表2 酸處理前后天蠶絲的力學(xué)性能

        表3 堿處理前后天蠶絲的力學(xué)性能

        由表2和表3可知:經(jīng)酸堿處理后,天蠶絲的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)都下降,尤其經(jīng)堿處理后,斷裂強(qiáng)度下降的更多,斷裂功降低,說(shuō)明纖維的耐疲勞性能下降.酸處理后,纖維的初始模量增加,而堿處理后,模量變化不大.這是因?yàn)樘煨Q絲經(jīng)酸堿處理后,纖維結(jié)構(gòu)變化的基本機(jī)理是不同的:在堿的作用下,不但蠶絲纖維分子間的氫鍵受到破壞,而且蛋白質(zhì)分子的酰胺鍵出現(xiàn)水解,導(dǎo)致大分子降解(先是無(wú)定形區(qū),然后是結(jié)晶區(qū)),使纖維結(jié)晶度降低.隨著水解的進(jìn)行,纖維的結(jié)構(gòu)逐步被破壞,力學(xué)性能下降,在處理時(shí)間相同的條件下,堿的濃度越高,纖維降解越厲害;在酸的作用下,主要是蠶絲蛋白質(zhì)分子間的氫鍵被破壞,纖維降解作用不大,并且蛋白質(zhì)分子發(fā)生重結(jié)晶現(xiàn)象[7].酸堿處理前后天蠶絲的拉伸曲線如圖1所示(因?yàn)樘煨Q絲耐堿性不好,依據(jù)堿處理后天蠶絲的力學(xué)性能,在0.5mol/L堿處理后天蠶絲的力學(xué)性能較佳;基于對(duì)等原則,酸也選擇同樣的濃度).

        圖1 酸堿處理前后的拉伸曲線圖

        由圖1可以看出,纖維拉伸曲線存在較明顯的屈服點(diǎn),屈服點(diǎn)較低,并且屈服點(diǎn)之后拉伸曲線較為平緩.這是因?yàn)榇蠓肿踊w排列不規(guī)整,無(wú)定形區(qū)比較大,纖維的橫向聯(lián)系較為松散,易被外力破壞,從而形成較低的屈服點(diǎn);無(wú)定形區(qū)的大分子取向度較低,具有較高的拉伸變形能力,從而形成屈服點(diǎn)之后平緩的拉伸曲線.

        酸堿處理同樣影響材料屈服點(diǎn)的位置:經(jīng)酸處理后,屈服點(diǎn)位置升高,屈服伸長(zhǎng)和屈服應(yīng)力增加,因?yàn)樵诶斐跗?,酸能促使纖維大分子間發(fā)生重結(jié)晶,使其模量增加,但由于大分子間氫鍵受到破壞,使得纖維斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)下降;經(jīng)堿處理后,屈服點(diǎn)位置變化較小,屈服伸長(zhǎng)和屈服應(yīng)力略有減小,纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂功均下降,尤其是斷裂強(qiáng)度下降明顯,因?yàn)轷0锋I水解效應(yīng)明顯,纖維結(jié)構(gòu)破壞較明顯[8].

        2.3 酸堿處理對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的影響

        酸堿處理前后天蠶絲的衍射圖如圖2所示.

        圖2 酸堿處理前后天蠶絲的衍射圖

        由圖2可以看出:經(jīng)酸堿處理后,天蠶絲X衍射圖的基本形狀沒(méi)變,說(shuō)明酸堿處理后纖維的結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生本質(zhì)改變;酸處理后其衍射圖的峰變高,表明酸處理后天蠶絲的結(jié)晶度升高;堿處理后其衍射圖的峰變低,表明天蠶絲的結(jié)晶度略有下降.這是因?yàn)樗釅A處理對(duì)天蠶絲纖維結(jié)構(gòu)的作用過(guò)程不同:雖然酸堿均能破壞分子間的氫鍵作用,但是在堿的作用下氨基酸中的酰胺鍵會(huì)發(fā)生水解,結(jié)晶結(jié)構(gòu)由外向內(nèi)逐漸被破壞;而酸能促進(jìn)蠶絲蛋白質(zhì)分子的結(jié)晶,其中大分子發(fā)生重結(jié)晶,但是水解效應(yīng)不明顯.因此,在低濃度酸的作用下,天蠶絲的結(jié)晶度上升;在低濃度堿的作用下,結(jié)晶度略有下降.酸堿處理前后天蠶絲的結(jié)晶度如表4所示.

        表4 酸堿處理后天蠶絲的結(jié)晶度

        3 結(jié) 語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)經(jīng)酸堿處理前后天蠶絲的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)的研究,得出以下結(jié)論:

        (1)天蠶絲經(jīng)酸堿處理后,其斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)下降,斷裂功降低,其中堿處理后下降更多;

        (2)天蠶絲經(jīng)酸處理后,初始模量增加,屈服應(yīng)力和伸長(zhǎng)增加;同濃度的堿對(duì)此影響不大;

        (3)天蠶絲經(jīng)酸處理后,結(jié)晶度增加;經(jīng)堿處理后,結(jié)晶度下降.

        [1]鄭忠厚,李明忠.天蠶絲素及其性質(zhì)[J].國(guó)外絲綢,2007,10(1):24-26.

        [2]何占演.我國(guó)天蠶的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及有待解決的問(wèn)題[J].中國(guó)蠶業(yè),1992(5):48-49.

        [3]肖林珍,汪泰初.不同品系天蠶的特性及其利用[J].中國(guó)蠶業(yè),2006(8):97-98.

        [4]劉忠云.天蠶形態(tài)及生物學(xué)特性初探[J].北方蠶業(yè),2006,27(108):7-9.

        [5]劉冠峰,汪柯,郭桂云.天蠶繭絲的性狀和繅絲特性[J].絲綢,1990(4):50-53.

        [6]武宜鳴,安琳,朱文俊.熱處理對(duì)天蠶絲結(jié)構(gòu)與性能的影響[J].國(guó)際紡織導(dǎo)報(bào),2010(1):26-28.

        [7]董鳳春,潘志娟,賈永堂.野蠶絲的結(jié)構(gòu)和性能分析[J].絲綢,2006(3):3-7.

        [8]楊丹.天蠶蠶絲和各種紡織纖維性能的比較[J].江蘇絲綢,2000(6):38-40.

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