呂振飛 邢秋明 孫再俊 江文斌

摘要：采用熱風(fēng)循環(huán)烘繭機對蠶繭進行干燥，探討了不同頭沖溫度對生絲力學(xué)性能和絲膠結(jié)構(gòu)的影響。通過一?？?、力學(xué)性能測試、熱重分析和紅外光譜法分別對不同頭沖溫度處理后繅制生絲的力學(xué)性能、落緒分布和絲膠結(jié)構(gòu)進行了研究，并用視頻光學(xué)接觸角測量儀觀察了繭層的親水性。研究表明，鮮繭經(jīng)過高溫干燥后繭層絲膠會產(chǎn)生熱變性，理化性能發(fā)生改變，繭層絲膠的分子結(jié)構(gòu)從無規(guī)卷曲向β—折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。當頭沖溫度為105 ℃時，生絲力學(xué)性能最好，潔凈成績最高，且熱穩(wěn)定性最好。

關(guān)鍵詞：頭沖溫度;落緒分布;生絲;力學(xué)性能;絲膠變性

中圖分類號：TS143.2

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）01-0011-04

在制絲工業(yè)中，烘繭是一道很重要的工序。烘繭的目的是烘殺蠶蛹和寄生的蠅蛆，同時除去鮮繭中所含的水分，使其能長期貯藏。在烘繭過程中，既要不損傷繭質(zhì)，又要使絲膠適當變性，利于繅絲，提高生絲品位[1]。陳建勇等[2]、傅雅琴等[3]利用熱蒸汽干燥蠶繭，認為烘繭能增加外層絲膠的煮繭時抵抗力，提高出絲率和潔凈成績。在實際烘繭過程中，通常分為頭沖和二沖兩個階段。頭沖階段就是干燥過程中的預(yù)熱與等速干燥階段，二沖階段就是減速干燥階段，即半干繭進灶至達到適干標準時為止。影響蠶繭干燥的主要工藝因素有溫度、濕度、風(fēng)速和鋪繭量等。陳錦祥等[4]認為在生產(chǎn)實踐中干燥工藝的主要控制對象是溫度，它不僅是影響干燥能力的主要因素，也是影響繭質(zhì)的首因。陳時若等[5]通過試驗表明，在中國沿用的二次干燥工藝中，對解舒率的影響，以頭沖的溫度占首位，二沖的溫度次之，并研究了空氣溫濕度與解舒率、出絲率之間的關(guān)系，蠶繭的其他指標沒有探討。并且，蠶繭經(jīng)干燥后，繭層絲膠作為蛋白質(zhì)受熱后會產(chǎn)生熱變性，其理化性能將發(fā)生改變?；诖?，本文設(shè)置不同的頭沖干燥溫度，探討不同頭沖干燥溫度對蠶繭落緒分布、生絲力學(xué)性能、生絲熱力學(xué)性能以及生絲基團結(jié)構(gòu)等方面的影響。并選擇合適的頭沖干燥溫度，使其滿足于實際生產(chǎn)需要。

1材料與方法

1.1原料和儀器

供試蠶繭為湖州市朱家兜同一批次的2017年春繭，家蠶品種為秋風(fēng)×白玉及其反交。

實驗室自制熱風(fēng)循環(huán)烘繭機[6]，HH—S數(shù)顯恒溫水浴鍋（常州翔天實驗儀器廠），JCY—4型視頻光學(xué)接觸角測量儀（上海方瑞儀器有限公司），YG—731型檢尺器（無錫市第二紡織機械廠），PYRIS 1型熱重分析儀（美國Perkin Elmer公司），Nicolet 5700型傅立葉紅外光譜儀（美國尼高力公司）。

1.2實驗方法

1.2.1蠶繭干燥

5種類型的干燥溫度組合見表1。將同一莊口的春繭在熱風(fēng)循環(huán)烘繭機中進行干燥實驗，頭沖和二沖各為2.5 h（頭沖前、后階段各1.25 h），其中a組為鮮繭，不進行干燥。

1.2.2繭層接觸角測試

分別將鮮繭及干燥處理后的蠶繭剖開，除去蠶蛹，取束腰部位，剪成平整的塊狀;將試驗用蠶繭分為5組，先于恒溫恒濕（20 ℃±2 ℃，相對濕度65%±5%）條件下平衡處理24 h;處理后在恒溫恒濕（20 ℃±2 ℃，相對濕度65%±5%）條件下，用視頻光學(xué)接觸角測量儀測試觀察去離子水液滴在繭層表面的形態(tài)變化，記錄液滴與繭層的瞬間接觸角（θ）值。為了減小試驗誤差，每組試驗測試數(shù)據(jù)除去偏差最大和最小的2個數(shù)據(jù)，再對其他數(shù)據(jù)取平均值。

1.2.3蠶繭落緒分布測試

在同一水平下對蠶繭真空滲透，經(jīng)同一煮繭工藝煮熟后，采用一?？墱y定方法，測定時記錄斷頭次數(shù)及繭層落緒位置，繅至繭子蛹衣位置或斷頭后不能添緒為止，從檢尺器上讀出所搖取的百回數(shù)。每組測定100粒繭子。

1.2.4生絲力學(xué)性能測試

采用XL—2型紗線強伸度儀測量生絲單絲強伸力。拉伸速度為500 mm/min，夾距距離為500 mm，預(yù)加張力為0.05 cN/dtex，測試次數(shù)為40次。

1.2.5生絲清潔、潔凈及抱合測試

按照GB/T 1978—2008《生絲試驗方法》對樣絲的清潔、潔凈及抱合進行調(diào)查。

1.2.6熱力學(xué)性能測試

分別稱取生絲樣品1.0～1.5 mg，N2保護，升溫速率為10 ℃/min，測試溫度范圍25～500 ℃，測量生絲的熱穩(wěn)定性能。

1.2.7紅外光譜測試

用Y172型纖維切片器將所測樣絲切成粉末，以生絲∶KBr大約1∶100的比例進行研磨并混合均勻，壓成透明薄片，采用Nicolet 5700型紅外光譜儀對樣品進行測試。測定范圍4 000～400 cm-1。

2結(jié)果與討論

2.1繭層表面的瞬間接觸角變化

由于繭層之間的差異，采取多次重復(fù)試驗取平均值的方法記錄數(shù)據(jù)。經(jīng)不同干燥溫度處理后的繭層接觸角值如表2所示，圖1為不同干燥溫度處理后液滴與繭層接觸瞬間的形態(tài)。從表2和圖1可以看出，鮮繭的接觸角值最?。?21.02°），且繭層表面與液滴的接觸面最大。其余4組樣品，隨著頭沖溫度的提高，其繭層接觸角值也在不斷增大。首先，繭層表面的蠟質(zhì)物及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會阻止水分在繭層中的滲透，繭層表現(xiàn)為疏水性;其次，熱風(fēng)烘繭時繭層受到熱空氣的影響，絲膠蛋白質(zhì)側(cè)鏈基團的熱運動加劇，大量高動能的水分子進入絲膠分子內(nèi)，破壞氫鍵等次價鍵，使絲膠非晶區(qū)發(fā)生重排，發(fā)生了變性，有些親水的基團反轉(zhuǎn)向內(nèi)，疏水基團轉(zhuǎn)向外面，所以使繭層疏水性增加，不易溶于水[7—8]。因此，干繭繭層與液滴的瞬間接觸角值均大于鮮繭，且隨著頭沖干燥溫度的增加，絲膠變性越大，繭層的接觸角值也就越大。

2.2不同頭沖溫度對蠶繭落緒分布的影響

圖2所示為經(jīng)不同干燥溫度處理后蠶繭的落緒位置分布（每個水平測定100粒蠶繭）。從圖2可以看出，鮮繭繭層落緒主要分布在外層和內(nèi)層，這是因為繭層絲膠含量由外到內(nèi)呈減少趨勢，外層絲膠含量大于中層，很容易造成異常膠著和滲透煮繭時膠著點膨潤不均勻，外層斷頭比中層多;內(nèi)層絲膠含量少，且內(nèi)層生絲纖度較細，到接近蛹襯位置時極易發(fā)生斷頭，所以造成了鮮繭內(nèi)層落緒最多的現(xiàn)象。此外，從圖2中還可以看出鮮繭繅絲落緒次數(shù)要遠遠多于干繭繅絲。這是由于鮮繭經(jīng)過熱風(fēng)烘繭機干燥之后，能使繭內(nèi)、外層絲膠均勻變性，在適當?shù)闹罄O條件下，絲膠容易膨潤溶解，絲膠異常膠著情況減少。當頭沖干燥溫度為110 ℃時，蠶繭的落緒次數(shù)最少，且所有4組經(jīng)干燥后的蠶繭落緒次數(shù)均少于鮮繭。

2.3不同頭沖溫度對生絲力學(xué)性能的影響

表3為不同干燥溫度對生絲力學(xué)性能的影響。表3數(shù)據(jù)顯示，鮮繭絲的斷裂強度與斷裂伸長率最低，分別為3.85 cN/dtex和17.13%，明顯低于經(jīng)干燥處理后繅制的生絲。頭沖干燥溫度為105 ℃繅制的生絲斷裂強度最大，為4.22 cN/dtex;變異系數(shù)最小，為2.81%。頭沖溫度為100 ℃繅制的生絲斷裂伸長率最高，為21.56%，變異系數(shù)為8.43%。由此可見，鮮繭經(jīng)過干燥后繅制的生絲，力學(xué)性能得到明顯提高，生絲質(zhì)量穩(wěn)定性更好。

2.4不同頭沖溫度對生絲清潔、潔凈及抱合的影響

生絲的抱合、清潔和潔凈指標的好壞，直接影響生絲的織造性能，對高速織機尤為重要。表4為不同頭沖干燥溫度對生絲清潔、潔凈及抱合的影響。表4數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)不同頭沖溫度干燥后繅制的生絲，其清潔指標與鮮繭絲基本相同，潔凈指標有所提高，平均提高0.78分，最多的提高1.40分。經(jīng)干燥處理后繅制的生絲其抱合平均值遠大于鮮繭絲抱合的平均值。鮮繭絲的潔凈分數(shù)低于干繭絲，這是因為鮮繭不經(jīng)過煮繭工藝直接繅絲，絲膠沒有得到充分膨潤，生絲表面環(huán)纇增多。另一方面通過烘繭繭層絲膠發(fā)生變性，繭子的抗煮能力提高，有利于在煮繭、繅絲環(huán)節(jié)采取一定的工藝來減少環(huán)纇。所以鮮繭絲的潔凈分數(shù)低于干繭絲[9]。生絲是由幾根繭絲抱合組成的，繭絲通過絲膠粘結(jié)在一起。而對鮮繭進行干燥處理，可以使得繭層絲膠適當變性，繭絲之間結(jié)合更緊密，從而大幅提高生絲的抱合性能。

2.5不同頭沖溫度對生絲熱力學(xué)性能的影響

圖3為經(jīng)不同干燥溫度處理后生絲的熱失重曲線（TGA），可見生絲在整個升溫過程中都伴隨著質(zhì)量的損失。其中，生絲質(zhì)量開始損失的第一個階段發(fā)生在25～120 ℃的溫度范圍內(nèi)，這一階段的質(zhì)量損失是由于絲纖維中的水分蒸發(fā)導(dǎo)致[10]。樣絲的質(zhì)量損失主要發(fā)生在280～350 ℃的溫度范圍內(nèi)，此階段樣絲在高溫中熔融分解，從圖3中可以看出鮮繭絲與干繭絲的熱分解過程比較類似。鮮繭絲與干繭絲的質(zhì)量損失峰值溫度如表5所示，對比發(fā)現(xiàn)，鮮繭絲的最大質(zhì)量損失速率點溫度略低于干繭絲。此外，經(jīng)不同頭沖溫度處理后繅制的生絲，其最大質(zhì)量損失速率點溫度也略有不同，其中頭沖溫度為105℃繅制的生絲，最大質(zhì)量損失速率點溫度最高，為338.140℃，說明其熱穩(wěn)定性最好。

2.6不同頭沖溫度處理后生絲的紅外光譜分析

圖4為經(jīng)不同干燥溫度處理繅制的生絲與鮮繭絲的紅外光譜圖。圖4顯示，經(jīng)不同干燥溫度處理后的生絲與鮮繭絲的紅外吸收光譜圖基本相似。其特征峰位置均出現(xiàn)在1 230 cm-1（酰胺Ⅲ）、1 520 cm-1酰胺（Ⅱ）、1 650 cm-1（酰胺Ⅰ）、3 420 cm-1（蛋白質(zhì)N—H伸縮振動特征峰）附近處[11—12]，但是鮮繭絲的酰胺Ⅴ特征峰位置出現(xiàn)在632 cm-1處，經(jīng)干燥溫度處理后的生絲酰胺Ⅴ特征峰位置出現(xiàn)在668 cm-1處，這表明鮮繭經(jīng)過干燥后，絲膠蛋白發(fā)生變性，繭層絲膠的分子構(gòu)象發(fā)生了從無規(guī)卷曲向β—折疊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。繭絲內(nèi)部的非晶區(qū)減少，結(jié)晶度有所提高。

3結(jié)論

a）蠶繭經(jīng)過干燥后，繭層表面的疏水性隨著干燥溫度的增加而增加，鮮繭表面的親水性要優(yōu)于干繭;干繭的落緒次數(shù)比鮮繭少得多，特別是內(nèi)層落緒次數(shù)。

b）頭沖溫度為105 ℃時，繅制的生絲力學(xué)性能最好，斷裂強度為4.22 cN/dtex，斷裂伸長率為20.71%;與此同時，頭沖溫度105 ℃繅制的生絲清潔、潔凈與抱合也優(yōu)于其他頭沖溫度繅制的生絲。

c）熱重分析結(jié)果表明鮮繭經(jīng)過干燥后，熱分解溫度提高，頭沖溫度為105 ℃繅制的生絲，最大質(zhì)量損失速率點溫度最高，為338.140 ℃，說明其熱穩(wěn)定性最好。

d）紅外光譜結(jié)果表明鮮繭經(jīng)過干燥后，酰胺Ⅴ特征峰的位置發(fā)生了移動，繭層絲膠的分子構(gòu)象發(fā)生了從無規(guī)卷曲（鮮繭絲）向β—折疊結(jié)構(gòu)（干繭絲）的轉(zhuǎn)化。

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