柞蠶絲的力學(xué)性能

不同吐絲速度下形成的柞蠶絲的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)的初步研究東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊紅霞摘要對(duì)已開(kāi)始吐絲的柞蠶在人為控制的不同吐絲速度下卷取柞蠶絲，并采用Instron萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在一定的吐絲速度范圍內(nèi)，隨著吐絲速度的增加，柞蠶絲的斷裂強(qiáng)度和模量增加、斷裂伸長(zhǎng)率減小，且絲纖維的取向度和結(jié)晶程度也隨之增加，由此進(jìn)一步說(shuō)明拉伸過(guò)程會(huì)導(dǎo)致柞蠶絲中的絲素蛋白形成較多的β一折疊結(jié)構(gòu)。引言

蠶絲和蜘蛛主腺體絲在長(zhǎng)軸方向既具有較高的強(qiáng)度，又具有一定的延展性，使其綜合力學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于通常的合成纖維，其中蜘蛛絲更具有顯著的強(qiáng)韌性。但蜘蛛絲的獲取具有一定困難，而與家蠶絲相比，柞蠶絲蛋白的氨基酸序列更接近蜘蛛絲。柞蠶絲屬于天蛾科野生蠶繭繅制的絲，具有很好的伸長(zhǎng)性。在天然纖維中，它的強(qiáng)度僅次于麻，伸長(zhǎng)率僅次于羊毛。1、實(shí)驗(yàn)1．1實(shí)驗(yàn)原料柞蠶：綠色活體，五齡，取自遼寧丹東；柞蠶繭絲：由上述柞蠶自然吐絲成繭后所得絲(未脫膠)。1．2不同吐絲速度下形成的柞蠶絲樣品的制備固定正在吐絲的柞蠶頭部和其他部分，使其頭部不能左右擺動(dòng)，將無(wú)級(jí)變速卷繞機(jī)設(shè)定到不同的卷繞速度卷取柞蠶絲纖維。1．3絲纖維力學(xué)性能的測(cè)試?yán)肐nstron5565型萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)(美國(guó))對(duì)固定在支架上的柞蠶絲進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。夾距為10mm，拉伸速率為1mm／min，測(cè)試環(huán)境溫度為22℃，環(huán)境濕度為51%。每個(gè)樣品隨機(jī)采集20根單絲進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果取平均值。2、結(jié)果與討論2．1柞蠶絲的應(yīng)力一應(yīng)變曲線特征由圖1可以看出，各種柞蠶絲的應(yīng)力一應(yīng)變曲線均包括初期彈性階段、屈服階段和強(qiáng)化階段3個(gè)不同區(qū)域。家蠶的自然吐絲速度約為0.6m/min。當(dāng)人為控制柞蠶吐絲速度0.6m/min時(shí)，由于這一速度與蠶的自然吐絲速度非常接近，故所得柞蠶絲的曲線(圖1(b))與柞蠶繭絲的曲線(圖1(a))極為相似，斷裂伸長(zhǎng)及斷裂強(qiáng)度都比較接近。從圖1還可以看出，隨著吐絲速度的增加，所形成的柞蠶絲纖維的斷裂強(qiáng)度增加，而斷裂伸長(zhǎng)下降，但絲纖維的應(yīng)力一應(yīng)變曲線的形狀無(wú)太大的變化。柞蠶絲與蜘蛛牽引絲的應(yīng)力一應(yīng)變曲線的特征非常相似相比之下，家蠶絲的應(yīng)力一應(yīng)變曲線中則只觀察到彈性階段和強(qiáng)化階段，沒(méi)有觀察到明顯的屈服階段。由此可見(jiàn)，柞蠶絲的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)特征與蜘蛛絲接近，而與家蠶絲有一定區(qū)別。2．2吐絲速度對(duì)柞蠶絲力學(xué)性能的影響由表1及圖4、圖5中可以看出，在一定的吐絲速度范圍內(nèi)，當(dāng)吐絲速度變大時(shí)，所形成的柞蠶絲初始模量和斷裂強(qiáng)度都隨之提高。當(dāng)吐絲速度增加至5．7m/min時(shí)，柞蠶絲纖維的力學(xué)性能達(dá)到最佳，絲纖維的強(qiáng)度達(dá)到638．9MPa，模量達(dá)到9、86GPa，斷裂能則達(dá)到了1．04x105J/kg，幾乎與蜘蛛牽引絲的斷裂能相當(dāng)，由此表明此時(shí)的柞蠶絲已具有較好的強(qiáng)韌性。3、結(jié)論(1)柞蠶絲的應(yīng)力一應(yīng)變曲線存在彈性階段、屈服階段和強(qiáng)化階段，與典型的蜘蛛牽引絲的應(yīng)力一應(yīng)變曲線較相似。(2)在人為控制的一定的吐絲速度范圍內(nèi)，隨著吐絲速度的增大，所形成的柞蠶絲纖維的斷裂強(qiáng)度和初始模量提高，由此說(shuō)明在人為控制的較高吐死速度下，可以得到力學(xué)性能較好的柞蠶絲纖維。(3)在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)吐絲速度達(dá)到5.7m/min時(shí)，所形成的柞蠶絲纖維的力學(xué)性能最佳，此時(shí)絲纖維的斷裂強(qiáng)度達(dá)到