鮮繭前處理工藝對繅絲及生絲性能的影響

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(浙江理工大學先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室，杭州 310018)

近年來，由于原料成本、能耗和勞動力成本的提高，繅絲生產企業的生存和發展受到嚴峻考驗，繅絲工藝急需改進。隨著技術進步，鮮繭冰凍技術在鮮繭前處理中得到逐步應用[1-2]。目前鮮繭繅絲常采用一步繅絲法[3]，省去了烘繭煮繭工序，生產成本大大降低，但也因此造成了生絲清潔成績差、織造時斷頭較多、易起毛等問題。產生這些問題的主要原因是不同的前處理方式對絲素、絲膠的結構性能產生影響，從而改變了生絲的性能。

絲素是蠶絲的主要組成部分，占繭層質量的70%左右，絲素蛋白以β-結構為基礎，一般不溶于水[4]。絲膠約占繭層質量的25%，其分子構象以無規則卷曲為主，并含有一定的β-結構[5]。有研究表明，在不同前處理方式作用下絲膠會受到不同的濕熱影響，部分無規卷曲能向β-結構轉化，產生不同程度的變性，改變生絲的性能[6]。為提高鮮繭生絲的性能，本文將探討不同前處理方式對絲素、絲膠以及絲膠穩定性的影響，從而為制定合適的鮮繭繅絲工藝提供參考。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

原料：采用江蘇同一莊口收集到的晚秋繭(干繭和鮮繭)為原料繭。

試劑：柔軟劑HC、綜合助劑EKL-200，均由湖州浙絲二廠提供。

儀器：立繅機(浙江米賽絲綢有限公司)，煮繭機(浙江米賽絲綢有限公司)，真空滲透機(浙江米賽絲綢有限公司)，HH-6數顯電子恒溫水浴鍋(常州國華電器有限公司)，JCM-6000臺式掃描電子顯微鏡(日本電子有限公司)，Y371型抱合力機(國營常州紡織儀器廠)，XL-2紗線強伸度儀(上海新纖儀器有限公司)，Y172型纖維切片器(國營常州紡織儀器廠)，X′TRA X射線多晶粉末衍射儀(瑞士ARL公司)，SCY-Ⅲ型聲速取向測量儀(東華大學材料學院)。

1.2 實驗方法

為了研究鮮繭前處理方式對生絲性能的影響，本文選擇熱風烘干、冰凍兩種方法處理鮮繭，采用干繭煮繭、鮮繭不煮繭、鮮繭煮繭3種前處理工藝，然后上立繰機繅絲；采用柔軟助劑HC和綜合助劑EKL-200對以上3種生絲進行織造前處理，待自然晾干后進行生絲的性能測試。分析不同濕熱作用下絲素、絲膠的形態結構變化以及經過浸泡處理后絲膠的穩定程度。

生絲性能測試主要包括生絲表面形貌觀測、抱合性能測試、結晶度測試、取向度測試、力學性能測試。

1.3 生絲制備工藝

a)干繭生絲的制備：干繭→剝選繭→真空滲透→煮繭→繅絲→烘干。

b)鮮繭不煮繭生絲的制備：冰凍鮮繭→自然解凍→剝選繭→真空滲透→繅絲→烘干。

c)鮮繭煮繭生絲的制備：冰凍鮮繭→自然解凍→剝選繭→真空滲透→煮繭→繅絲→烘干。

具體的工藝參數：

真空滲透：水溫40 ℃，真空度98 kPa，每次30 s，滲透3次。

煮繭：參照工廠常規的煮繭工藝，煮繭時間為(15±5)min，具體參數見表1。

表1 煮繭工序各階段參數

繅絲：索緒湯溫100 ℃，理緒湯溫40 ℃，轉速170 r/min，絲鞘長度10 cm，生絲纖度35 dtex(30/33) D，12粒繭。

烘干：單絲紅外烘干，溫度45～50 ℃。

d)生絲浸泡工藝見表2。

表2 生絲浸泡工藝

1.4 生絲性能測試

1.4.1 生絲抱合性能的測試

采用Y371型抱合力機，對3種不同工藝下繅制出的生絲樣品分別測試抱合力10次，記錄半數以上絲條出現6 mm及以上開裂時的摩擦次數，并計算出平均抱合力。

1.4.2 生絲結晶度測試

用切片器將3種類型生絲切成粉末狀，采用X′TRA型X射線多晶粉末衍射儀進行測試，設定管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描速度2°/min，掃描范圍5°～50°，得出XRD曲線圖。

1.4.3 生絲取向度測試

采用SCY-Ⅲ型聲速取向測量儀，測試前將儀器預熱5 min，在每種生絲樣品中隨機選取5段絲，按照操作規程進行測試。待測試完成后記錄相應的生絲fs值。

1.4.4 生絲拉伸性能的測試

采用XL-2型紗線強伸度儀測試生絲的斷裂強度、斷裂伸長率以及初始模量。參數設定為：夾持距離500 mm，拉伸速度500 mm/min，預加張力1.0 cN。測試前需要將樣品置于恒溫恒濕間(溫度(20±2.0)℃、相對濕度(65.0±4.0)%)平衡12 h以上。對3種不同工藝下繅制出的生絲樣品分別測試50次，計算出平均值。

2 結果與討論

2.1 生絲表面形貌分析

圖1為使用JCM-6000臺式掃描電子顯微鏡所拍攝出來的3種生絲的表面形貌圖(放大倍數500倍)。

圖1 生絲纖維的SEM縱向形態

從圖1中可以看出，3種生絲表面都含有不同程度的溝槽，絲素排列整齊、抱合緊密度不一。其中干繭生絲表面較為規整，溝槽紋路清晰，絲膠抱合良好；鮮繭不煮繭生絲表面溝槽不明顯，繭絲抱合緊密；鮮繭煮繭生絲表面不平整，繭絲間間隙較大，抱合均勻性有所下降。這是因為：鮮繭經烘干處理后進行繅絲，測得生絲含膠率為26.34%，絲膠發生較大變性、均勻膨化，在絲綃作用下，絲膠在生絲周圍均勻抱合，形成穩定的生絲結構；鮮繭直接繅絲，測得生絲含膠率為26.91%，絲膠變性較小、結構松散，膨潤性好，在生絲外圍能夠形成更均勻的抱合；鮮繭直接煮繭，生絲含膠率為26.01%，絲膠過于膨化、部分溶解，煮繭時絲膠局部變性，導致繅絲工藝中生絲抱合均勻性有所下降。

2.2 生絲抱合性能分析

圖2為浸泡前后干繭生絲、鮮繭不煮繭生絲、鮮繭煮繭生絲抱合性能的測試結果。

圖2 3種類型生絲的抱合性能

從圖2中可看出，3種生絲的平均抱合次數分別為：干繭生絲153次，鮮繭不煮繭生絲165次，鮮繭煮繭生絲120次，均已超過100次，達到5A級以上生絲[7]的抱合要求。這說明3種生絲的抱合性能均良好，其中，鮮繭不煮繭生絲最佳，其次是干繭生絲，鮮繭煮繭生絲略低。經過柔軟助劑HC浸泡后，干繭生絲的抱合次數比浸泡前降低了1.3%，鮮繭不煮繭生絲降低了13.3%，鮮繭煮繭生絲降低了5.0%；經過綜合助劑EKL-200浸泡后，干繭生絲的抱合次數降低了52.3%，鮮繭不煮繭生絲降低了77.6%，鮮繭煮繭生絲降低了68.3%。

生絲抱合性能的優劣主要取決于繭絲之間相互膠著面積的大小及黏合的緊密程度[8-9]。從3種生絲的縱向形態圖(圖1)可以看出，3種生絲的單絲間相互膠著在一起，抱合良好。其中，鮮繭不煮繭生絲繭絲間膠著面積最大，單絲間抱合最緊密；其次是干繭生絲，表面規整，絲膠分布均勻，抱合良好；鮮繭煮繭生絲繭絲間間隙較大，抱合均勻性有所降低。

經過HC浸泡后，各生絲的抱合力均小幅降低；經過EKL-200浸泡后，抱合力均大幅下降。其中鮮繭不煮繭生絲的抱合力下降幅度最大。這主要是因為絲膠內部的分子結合力被滲透進來的浸泡助劑破壞，部分絲膠被溶解，抱合力就隨著繭絲間黏著力的減小而下降。對于干繭生絲，由于采用的是經熱風烘干的蠶繭，烘干過程中溫度為90～100 ℃，時間5.0～6.5 h[10]，高溫作用下絲膠變性程度高，浸泡后抱合穩定性較好，下降幅度最小。對于鮮繭不煮繭生絲，由于繅絲前沒有烘干、煮繭過程，絲膠沒有變性，穩定性差，在浸泡助劑作用下，絲膠容易膨化溶解，因而抱合力下降最明顯。對于鮮繭煮繭生絲，因鮮繭經煮繭工藝后絲膠發生少量變性，穩定性有一定的提高，因此在浸泡后其抱合力下降幅度低于鮮繭不煮繭生絲。

綜上所述，煮繭工藝能夠在一定程度上提高生絲的抱合穩定性，可以期望通過調整煮繭工藝，增加絲膠變性程度，提高絲膠穩定性，以達到改善鮮繭生絲抱合穩定性的目的。

2.3 生絲結晶度分析

圖3為干繭生絲、鮮繭不煮繭生絲、鮮繭煮繭生絲的X射線衍射曲線圖。

由圖3可見，干繭生絲、鮮繭不煮繭生絲、鮮繭煮繭生絲的XRD曲線形狀類似，衍射強度有所區別。借助表3絲素的主要衍射特征峰位置[11]進行分析，3種生絲均在2θ為9.7°、20.3°、25.2°、28.9°附近有不同強度的衍射峰出現，其中20.3°附近衍射峰強度最高，它屬于SilkⅡ型結晶結構。由此可以得出結論：3種生絲均以SilkⅡ型的晶體結構為主，且在結構上無明顯差異，因此可以說明熱風烘干、冰凍、煮繭3種工藝對蠶絲的結構沒有大的改變，其影響主要發生在無定形區，對絲素影響較小。

圖3 3種生絲的X射線衍射曲線

SilkⅠ2θ/(°)強度SilkⅡ2θ/(°)強度12.2中強9.1中強19.7強18.9中強24.7中等20.7很強28.2中等

2.4 生絲取向性能分析

圖4為浸泡前后干繭生絲、鮮繭不煮繭生絲、鮮繭煮繭生絲取向度的測試結果。

從圖4中可以看出，浸泡前后，各生絲的取向度均在0.88～0.92之間，差別不大。纖維的取向度取決于纖維的分子結構與大分子的結晶度[12]，而對于絲纖維，其取向度主要由絲素的性能決定。因此可以說明鮮繭前處理方式及織造前浸泡工藝對生絲絲素結構幾乎沒有影響。

圖4 3種類型生絲的取向度

2.5 生絲力學性能分析

表4為浸泡前后干繭生絲、鮮繭不煮繭生絲、鮮繭煮繭生絲力學性能的測定結果。

表4 各類型生絲的力學性能

由表4可知，3種生絲的斷裂強度均超過3.5 cN/dtex，說明3種生絲的力學性能良好，能滿足基本的織造要求。生絲拉伸斷裂能力主要與絲素結構及排列狀態有關，從生絲結晶度和取向度的分析中可以知道不同前處理工藝對絲素影響不大，因此3種生絲的斷裂強度相差不大。

比較各生絲的初始模量，可以發現干繭生絲和鮮繭不煮繭生絲的初始模量均高于鮮繭煮繭生絲；經過浸泡工藝后，各生絲的初始模量均有所降低。初始模量的大小與生絲含膠量、浸泡工藝有關。干繭生絲和鮮繭不煮繭生絲含膠率高，初始模量較高；而鮮繭煮繭生絲的絲膠在煮繭過程中部分溶解，生絲含膠率降低，因此其初始模量較低。經過浸泡工藝后，由于浸泡助劑具有柔軟作用，導致生絲的初始模量降低。

3 結 論

a)干繭生絲、鮮繭不煮繭生絲、鮮繭煮繭生絲的平均抱合次數均已超過100次，說明抱合性能均良好。其中鮮繭不煮繭生絲最佳，其次是干繭生絲，鮮繭煮繭生絲略低。經過HC浸泡后，抱合力均有所降低；經過EKL-200浸泡后，抱合力均大幅下降。其中鮮繭生絲絲膠穩定性較差，其抱合力下降幅度較大；鮮繭經過煮繭工藝，在一定程度上能夠提高生絲的抱合穩定性。這說明煮繭工藝能夠在一定程度上提高生絲的抱合穩定性，可以期望通過調整煮繭工藝，增加絲膠變性程度，提高絲膠穩定性，達到改善鮮繭生絲抱合穩定性的目的。

b)干繭生絲、鮮繭不煮繭生絲、鮮繭煮繭生絲的結晶度曲線形狀類似，取向度相差不大，說明熱風烘干、冰凍、煮繭工藝對絲素幾乎沒有影響。

c)干繭生絲、鮮繭不煮繭生絲、鮮繭煮繭生絲的斷裂強度均超過3.5 cN/dtex，說明各生絲的力學性能良好，能滿足基本的織造要求。

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