絲織物在程序開發(fā)中的老化機(jī)理研究

絲織物在程序開發(fā)中的老化機(jī)理研究

考古發(fā)掘的大量絲綢文化遺產(chǎn)展示了中國(guó)悠久的歷史文化。由于絲織品文物長(zhǎng)年埋藏在地下,已發(fā)生不同程度的老化,出土后受到光照等環(huán)境因素的作用,絲織品的老化程度嚴(yán)重加劇,因而需要對(duì)這些珍貴的絲織品文物進(jìn)行科學(xué)保護(hù)。制作絲織物的蠶絲纖維是一種天然蛋白質(zhì)纖維,主要含有絲素、絲膠及少量其它物質(zhì),在光、熱、生物等因素作用下蠶絲纖維會(huì)發(fā)生老化,其力學(xué)性能、表面形貌、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、分子質(zhì)量等均產(chǎn)生了變化。業(yè)已明確絲織物的老化是許多因素綜合作用的結(jié)果。國(guó)內(nèi)的研究者用現(xiàn)代絲織品人工加速老化模擬出土絲織品文物,然后針對(duì)單一環(huán)境條件(如光照)影響絲織物的老化過程開展研究,對(duì)于其它環(huán)境因素特別是多種環(huán)境因素共同對(duì)絲織物的老化影響并沒有太多的研究。因此,需要進(jìn)一步研究多種環(huán)境因素作用對(duì)絲織品老化的影響,才能為絲織品文物的保護(hù)提供更為科學(xué)有效的依據(jù)。目前,絲織物光老化所采用的光源主要有紫外燈和氙燈,其中氙燈對(duì)太陽(yáng)光的模擬性較好。本項(xiàng)研究選用波長(zhǎng)340nm的氙燈為輻照光源,通過調(diào)控試驗(yàn)倉(cāng)中的溫度和相對(duì)濕度,研究絲織物在氙燈照射下,環(huán)境溫濕度對(duì)其性能和結(jié)構(gòu)的影響,探討多種環(huán)境因素作用下絲織物的光老化過程。1材料和方法1.1材料表面試驗(yàn)選用的家蠶絲織物為11160電力紡(杭州萬(wàn)事利絲綢科技有限公司)。1.2溫度、濕度試驗(yàn)本試驗(yàn)采用的老化設(shè)備為DR4000型(水冷)日曬試驗(yàn)機(jī)(溫州市大榮紡織儀器有限公司)。氙燈波長(zhǎng)340nm,到達(dá)絲織物表面的輻照度為0.45W/m2,試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)設(shè)定不同溫度、濕度對(duì)絲織物進(jìn)行老化處理,每隔2d取樣1次,直至20d。設(shè)定4個(gè)試驗(yàn)組的倉(cāng)內(nèi)溫度、濕度條件:62℃,RH70%;62℃,RH20%;40℃,RH70%;40℃,RH20%。1.3絲綢紡織機(jī)的性能測(cè)試1.3.1力學(xué)性能測(cè)試采用YG065電子織物強(qiáng)力儀(萊州市電子儀器有限公司),參照GB/T3923.1—1997《織物拉伸性能第1部分:斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定條樣法》,對(duì)絲織物的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。1.3.2掃描電鏡tm3000將樣品用導(dǎo)電膠粘貼于鋁質(zhì)樣品臺(tái)上,用SBC12離子濺射儀(北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司)鍍金,運(yùn)用TM3000型掃描電子顯微鏡(日立)對(duì)樣品進(jìn)行形貌觀察。1.3.3紅外光譜測(cè)定將樣品切成粉末,取2mg與100mgKBr充分混合研磨后壓片,用SpectrumOne傅里葉紅外光譜儀(美國(guó)PerkinElmer公司)進(jìn)行測(cè)定,掃描范圍4000～500cm-1,分辨率4cm-1。1.3.4絲綢溶液的特性粘度測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn)SNV195595測(cè)試樣品的特性粘度。2結(jié)果與分析2.1不同溫度對(duì)絲織物斷裂強(qiáng)力的影響高分子材料發(fā)生老化最顯著的特征是力學(xué)性能下降。測(cè)定絲織物在不同溫濕度條件下,隨著光老化時(shí)間延長(zhǎng)其力學(xué)性能的變化趨勢(shì),可以有效反映環(huán)境溫濕度對(duì)絲織物光老化過程的影響。如圖1所示:隨著光老化處理時(shí)間增加,絲織物的力學(xué)性能呈下降趨勢(shì),但不同溫濕度條件下的變化過程有差別:環(huán)境中的相對(duì)濕度較高時(shí),絲織物的斷裂強(qiáng)力在老化初期迅速下降,隨著時(shí)間推移,下降速度趨于平緩,而濕度較低的環(huán)境中,絲織物的斷裂強(qiáng)力下降趨勢(shì)趨于線性;環(huán)境溫度較高時(shí),絲織物的斷裂強(qiáng)力下降速度和程度都明顯加劇。從圖1還可見,當(dāng)光老化處理達(dá)到20d后,62℃、RH70%,62℃、RH20%,40℃、RH70%,40℃、RH20%4個(gè)試驗(yàn)組的絲織物的斷裂強(qiáng)力分別下降到原樣的3.6%、7.5%、5.4%、21.6%,溫濕度相對(duì)較低的試驗(yàn)4組與其余3個(gè)試驗(yàn)組的差異明顯,表明高溫高濕環(huán)境會(huì)加劇絲織物的老化。絲織物的光老化本質(zhì)上是蠶絲蛋白高分子發(fā)生光化反應(yīng)。在相同的光照強(qiáng)度下,溫度升高,蠶絲蛋白高分子鏈段熱運(yùn)動(dòng)能量增加,光化反應(yīng)加劇,分子鏈段更容易發(fā)生斷裂,同時(shí),織物表面和內(nèi)部溫度升高,產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,出現(xiàn)翹曲和龜裂;濕度增加,蠶絲纖維膨脹,體積變大,其聚集結(jié)構(gòu)的分子間作用力改變,老化的速度和絲纖維強(qiáng)度都發(fā)生不同程度的變化。2.2絲織物光老化試驗(yàn)結(jié)果絲織物的光老化過程是從蠶絲纖維表面開始的,運(yùn)用掃描電子顯微鏡對(duì)蠶絲纖維形貌進(jìn)行觀察,可以初步確定絲織物的老化狀況。圖2為未經(jīng)光老化處理絲織物的掃描電子顯微鏡圖片,可見蠶絲纖維縱向表面光滑,不存在明顯斷口或裂隙,但存在少量損傷,這可能是在脫膠、繅絲、織造等過程中造成的。從絲織物在4種溫濕度條件下光老化處理20d的掃描電子顯微鏡圖片可以看出(圖3),在氙燈的照射下,環(huán)境溫濕度發(fā)生改變,各組絲織物蠶絲纖維的表面均呈現(xiàn)出不同的受損程度。試驗(yàn)1組(62℃、RH70%)的老化最嚴(yán)重,蠶絲纖維表面出現(xiàn)裂隙,斷口增多;試驗(yàn)2組(62℃、RH20%)的蠶絲纖維縱向出現(xiàn)較多裂隙,但表面較光滑;試驗(yàn)3組(40℃、RH70%)的蠶絲纖維縱向出現(xiàn)裂隙,表面粗糙度增加,但未出現(xiàn)斷口;試驗(yàn)4組(40℃、RH20%)的蠶絲纖維表面僅出現(xiàn)少量裂隙,大部分纖維表面較光滑。相同光老化處理時(shí)間下,不同試驗(yàn)組絲織物的老化程度和老化狀態(tài)存在明顯差異,說明環(huán)境溫濕度對(duì)絲織物的老化作用明顯。2.3酰胺帶結(jié)構(gòu)的變化紅外光譜被廣泛應(yīng)用于分析化合物的結(jié)構(gòu)。絲織物老化會(huì)導(dǎo)致蠶絲蛋白分子結(jié)構(gòu)的變化,因此從絲織物的紅外光譜可以判斷絲織物老化原因和老化狀態(tài)。大量的研究表明,蠶絲蛋白的紅外吸收譜在1690～1600cm-1處有C==OC=Ο伸縮振動(dòng)而產(chǎn)生的吸收譜帶,為酰胺Ⅰ帶特征峰,其由幾個(gè)子峰組成,包含了蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu):1650～1658cm-1為α-螺旋;1700～1660cm-1為β-轉(zhuǎn)角;1650～1610cm-1為β-折疊;1650～1640cm-1為無規(guī)卷曲。如圖4-A所示,試驗(yàn)1組(62℃、RH70%)的蠶絲蛋白的酰胺Ⅰ帶分裂成2個(gè)明顯的子峰(1658cm-1和1645cm-1),而且子峰1645cm-1有較強(qiáng)的吸收強(qiáng)度,出現(xiàn)較多的無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu),纖維老化嚴(yán)重;對(duì)照樣及其它3個(gè)試驗(yàn)組的蠶絲蛋白的紅外吸收譜圖中未出現(xiàn)類似的現(xiàn)象,但是其它3個(gè)試驗(yàn)組蠶絲蛋白的酰胺Ⅰ帶向低波數(shù)方向發(fā)生不同程度的偏移,表明β-折疊結(jié)構(gòu)向無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度的轉(zhuǎn)變。酰胺Ⅲ帶(1330～1220cm-1)雖然信號(hào)較弱,但水在此吸收帶沒有吸收,蠶絲蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)特征明顯,1250～1220cm-1為β-折疊,1270～1250cm-1為無規(guī)卷曲,可以對(duì)酰胺Ⅲ帶進(jìn)行曲線擬合,進(jìn)一步確定各樣品中無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)的含量。根據(jù)酰胺Ⅲ帶二階導(dǎo)數(shù)和傅里葉去卷積圖譜確定子峰位置,采用軟件Origin8.5對(duì)譜圖進(jìn)行高斯擬合,根據(jù)積分面積計(jì)算得到無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)的含量。對(duì)照樣和試驗(yàn)1、2、3、4組的無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)的含量分別為16.28%、31.04%、27.23%、26.28%、24.66%。比較發(fā)現(xiàn),相同光老化處理時(shí)間下,溫濕度越高,蠶絲蛋白的無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)含量越高,結(jié)晶區(qū)破壞越厲害,絲織物的老化也越嚴(yán)重。2.4絲蛋白溶液特性粘度的變化材料宏觀性能的變化與其微觀結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān),絲織物斷裂強(qiáng)力下降的主要原因是蠶絲蛋白分子鏈的斷裂,這直接導(dǎo)致其相對(duì)分子質(zhì)量的下降,由于蠶絲蛋白相對(duì)分子質(zhì)量可以由蠶絲蛋白溶液的特性粘度表征,因此對(duì)人工老化絲織物的絲蛋白溶液特性粘度進(jìn)行測(cè)試,以評(píng)估絲織物老化狀況。如表1所示,對(duì)照樣的絲蛋白溶液特性粘度最高,隨著絲織物在不同溫濕度環(huán)境中進(jìn)行光老化處理的時(shí)間延長(zhǎng),其絲蛋白溶液特性粘度明顯下降,而且不論在何種環(huán)境下,絲織物斷裂強(qiáng)力都是隨著特性粘度的下降而下降。試驗(yàn)1組(62℃、RH70%)絲蛋白溶液的特性粘度最低,試驗(yàn)4組(40℃、RH20%)絲蛋白溶液的特性粘度最高。說明環(huán)境溫濕度越高,光老化絲織物的絲蛋白溶液的特性粘度越低,平均分子質(zhì)量越低,絲織物的光老化越嚴(yán)重。3絲織物老化速度隨立地環(huán)境的變化絲織物的老化是不同因素綜合作用的結(jié)果,通過改變絲織物氙燈照射老化過程中的溫濕度環(huán)境條件,得到不同的絲織物老化樣。對(duì)這些絲織物老化樣的各項(xiàng)