天然彩絲纖維性能的研究

天然彩絲纖維性能的研究

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)保紡織布品的要求越來(lái)越高，天然紡織布被用作服裝和家庭紡織布。天然彩色繭是利用保存和收集的全世界的天然彩色繭基因,選育出繭色比較穩(wěn)定的天然彩色繭家蠶品種。天然彩色蠶絲的色素來(lái)源于家蠶體內(nèi)自身合成的生物色素,無(wú)毒無(wú)害、色澤柔和艷麗,其織物不需要染色,避免了印染造成的環(huán)境污染。天然彩色蠶絲具有良好的抑菌抗菌功效和抗紫外線的性能,天然彩色織物對(duì)大腸桿菌、MRSA、綠膿菌的抑菌率均比普通白絲高出39%以上。用紫外線長(zhǎng)時(shí)間照射蠶繭,繭內(nèi)的蠶蛹發(fā)育和羽化的蠶蛾及后代正常,但將蛹從繭內(nèi)取出后直接照射,蠶蛹會(huì)受到嚴(yán)重影響,羽化的蠶蛾及后代畸形多。天然彩色繭絲根據(jù)所選的基因不同呈現(xiàn)不同的顏色,目前主要有黃色、綠色等品種。本文選用目前大規(guī)模生產(chǎn)的黃色品種為研究對(duì)象,對(duì)天然彩絲的微觀結(jié)構(gòu)及其各項(xiàng)性能進(jìn)行研究,并從理論上進(jìn)行分析,為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)天然彩絲產(chǎn)品并拓展其用途提供理論參考。1實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)儀器及方法纖維:天然彩絲(黃色系,由鑫緣繭絲綢集團(tuán)有限公司提供,采用皂堿法脫膠,脫膠率為25.1%)。儀器:美國(guó)INSTRON萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)、DXS-10A型掃描電子顯微鏡、Nicolet5700型紅外光譜儀、DiamandTG/DTA5700型DTA-TG熱分析儀(美國(guó)PerkinEimer公司)、X′Pert-ProMP型X射線衍射儀。1.2測(cè)試測(cè)試1.2.1線密度的測(cè)定將相同長(zhǎng)度的天然彩絲和普通白絲各分成3束,置于恒溫恒濕室內(nèi)平衡,使其達(dá)到公定回潮率,稱(chēng)取每束絲的質(zhì)量,數(shù)出每束絲中紗線的根數(shù),算出單位長(zhǎng)度的質(zhì)量,取3次的平均值,根據(jù)公式即可算出紗線的線密度。1.2.2力學(xué)性能采用美國(guó)INSTRON萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)定單根紗線的力學(xué)性能。測(cè)試條件:初始長(zhǎng)度為250mm,拉伸速度為250mm/min,在恒溫恒濕室內(nèi)進(jìn)行(相對(duì)濕度為65%,溫度為20℃),重復(fù)50次,取平均值。1.2.3纖維掃描電子顯微鏡測(cè)試用哈氏切片器切片,用火棉膠固定,切取試樣橫截面。采用DXS-10A型掃描電子顯微鏡對(duì)纖維進(jìn)行觀察。加速電壓為15kV,溫度為20℃,相對(duì)濕度為65%,樣品鍍金處理后置電鏡下觀察。1.2.4紅外光譜測(cè)試將所測(cè)樣品剪成粉末,采用KBr壓片法,在Nicolet5700型紅外光譜儀上測(cè)試,分辨率為4cm-1,測(cè)定范圍為4000~500cm-1。1.2.5氮?dú)鈿庹{(diào)濕tg熱特性測(cè)試熱重分析在DiamandTG/DTA5700型DTA-TG熱分析儀上進(jìn)行。測(cè)試條件:氮?dú)鈿夥蘸涂諝鈿夥?氮?dú)饬髁繛?00mL/min,空氣流量為100mL/min;升溫速度為10℃/min,溫度為50~650℃。1.2.6纖維材料的測(cè)試采用粉末法用X′Pert-ProMPD型X射線衍射儀對(duì)纖維進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件:CuKa靶(0.154nm),管電壓為40kV,管電流為30mA,掃描速度為2(°)/min,掃描范圍為5°~45°。2結(jié)果與討論2.1氨基乙酰丙氨酸序列振動(dòng)峰圖1示出天然彩絲與普通白蠶絲的紅外吸收光譜。從中可以看出2種絲纖維的紅外譜圖基本相同:1702、1517、551cm-1處為酰胺吸收峰,1068cm-1處為—OH的振動(dòng)吸收峰,997cm-1處為氨基乙酰丙氨酸序列振動(dòng)峰;在1652、1511、1230cm-1附近均有吸收,說(shuō)明2種絲中都有酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ、酰胺Ⅲ存在;在698cm-1處有吸收,說(shuō)明2種絲中都含有酰胺Ⅴ。同時(shí),在1652cm-1處的吸收峰說(shuō)明絲纖維中存在無(wú)規(guī)卷曲。2.2衍射峰的強(qiáng)度圖2示出天然彩絲與普通白蠶絲的X射線衍射曲線。可以看出,2種蠶絲纖維X射線衍射曲線形狀基本相同,衍射峰的位置也沒(méi)有明顯的區(qū)別。說(shuō)明2種纖維的主體結(jié)構(gòu)基本相同,但衍射峰的衍射強(qiáng)度有差別。采用peakfit軟件對(duì)所得的X射線衍射曲線進(jìn)行計(jì)算機(jī)分峰擬合,擬合結(jié)果見(jiàn)表1。由表中的數(shù)據(jù)計(jì)算得到天然彩絲和普通白絲的結(jié)晶度分別為44.4%和47.5%,天然彩絲的結(jié)晶度比白絲要低一些。研究資料表明,具有β-折疊結(jié)構(gòu)的X射線衍射圖譜中特征衍射峰的晶面間距為0.53nm和0.43nm,具有α-螺旋結(jié)構(gòu)的X射線圖譜中特征衍射峰的晶面間距為0.74nm和0.37nm。對(duì)照表1數(shù)據(jù)比較可知,天然彩絲和普通蠶絲一樣具有β-折疊結(jié)構(gòu)和α-螺旋結(jié)構(gòu)。2.3天然彩絲氨基酸組分的組成據(jù)文獻(xiàn)介紹,普通桑蠶絲素中,側(cè)基簡(jiǎn)單的甘氨酸、丙氨酸含量最高,其次為絲氨酸、酪氨酸,這4種氨基酸占總量的80%以上,再依次為側(cè)基較為復(fù)雜的纈氨酸、天門(mén)冬氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸、精氨酸及其他含量更低的氨基酸。如表2所示,天然彩絲也主要由甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸和酪氨酸組成,說(shuō)明彩絲的氨基酸組分并未發(fā)生本質(zhì)性的變化。一般含長(zhǎng)側(cè)鏈的氨基酸多,纖維的結(jié)晶度、取向度和密度都低,纖維易延伸。由表2知,普通蠶絲中甘氨酸、丙氨酸和絲氨酸的含量之和為76.50%,而天然彩絲中這3種氨基酸含量之和為77.14%,這與X射線衍射測(cè)試結(jié)果相符,即天然彩絲的結(jié)晶度低于普通白蠶絲。2.4彩絲的不同有效部位2種纖維的外觀形態(tài)如圖3所示。從圖3(a)、(b)可看出,天然彩絲和普通白蠶絲都是由2根絲纖維構(gòu)成,其橫截面的形狀都為帶圓角的鈍角三角形。纖維截面的形狀與光澤的關(guān)系甚為密切,蠶絲被公認(rèn)為是光澤最好的纖維,就是歸因于其近似三角形的截面(因?yàn)槿切蔚慕孛娲嬖诓糠秩瓷?反射光中伴有一定的色散效應(yīng),部分內(nèi)部的反射光會(huì)在纖維的截面局部棱邊發(fā)生全反射等)。不同的是天然彩絲的絲素纖維看起來(lái)結(jié)構(gòu)較緊密,截面較平整,可能是因?yàn)樘烊徊式z較細(xì),彼此挨得較近的緣故。天然彩絲中絲與絲之間的空隙較大,可能是天然彩絲中絲膠含量較高,脫膠后絲素間的距離變大的緣故。從圖3(c)、(d)可以看出2種蠶絲的縱向都光滑平直,有縱向條紋,無(wú)明顯的區(qū)別。2.5種彩絲在第2階段的分解速率2種纖維的熱分析結(jié)果如圖4所示。熱分解過(guò)程大致可以分為3個(gè)階段,即0~100℃、100~370℃、370~650℃。2種蠶絲纖維在第1階段的終止溫度和失重率基本相同,約為100℃和4%,該階段的失重可歸因于纖維中水分和有機(jī)溶劑的揮發(fā)。決定纖維熱穩(wěn)定性的基本標(biāo)準(zhǔn)是看纖維熱失重的第2階段。從圖中可以看出2種纖維在第2階段的分解速率最高。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:把失重20%和50%2點(diǎn)的直線與基線的延長(zhǎng)線的交點(diǎn)定為分解溫度。根據(jù)這一規(guī)定,經(jīng)作圖可知天然彩絲和普通白絲的熱分解溫度一致,都為280℃。說(shuō)明2種纖維的耐熱性一樣。外推起始失重溫度的定義為最大斜率點(diǎn)切線與基線的交點(diǎn),根據(jù)這一定義作圖可知普通白絲的外推起始失重溫度為290℃,天然彩絲為308℃,說(shuō)明天然彩絲的熱失重溫度比普通白絲高一些。熱失重溫度的高低與無(wú)規(guī)卷曲的β化有關(guān)。因纖維內(nèi)部變得緊密,從而吸熱分解溫度后移,推測(cè)天然彩絲中蛋白質(zhì)的β-折疊比普通蠶絲的要多一些。該階段結(jié)束時(shí)天然彩絲的失重率約為42%,而普通蠶絲的失重率為51%,這些說(shuō)明彩絲的熱穩(wěn)定性比白絲要好。該區(qū)間的失重可歸結(jié)為蠶絲的熱裂解。失重第3階段2種絲纖維的分解速度都減慢,達(dá)到650℃時(shí),白絲的殘留量比彩絲多一些。2.6物理及拉伸性能圖5示出2種纖維的應(yīng)力與應(yīng)變曲線。從中可以看出,在初始階段負(fù)荷變化相同時(shí),天然彩絲的伸長(zhǎng)和普通白絲的幾乎相同,形變都不是很大。因?yàn)檫@一階段為彈性區(qū)間,在這一區(qū)域中纖維分子鏈產(chǎn)生彈性形變,相互間沒(méi)有大的位移。超過(guò)這一初始階段后,再變化相同的負(fù)荷時(shí)天然彩絲和普通白絲的伸長(zhǎng)都比初始階段長(zhǎng),因?yàn)檫@一區(qū)域?yàn)檠有詤^(qū)域,外力克服分子間引力,使分子鏈間產(chǎn)生滑移,較小的纖維應(yīng)力增加會(huì)產(chǎn)生較大的延伸,應(yīng)力去除后發(fā)生不可恢復(fù)的剩余應(yīng)變。比較2種纖維的伸長(zhǎng)可以發(fā)現(xiàn),天然彩絲的伸長(zhǎng)要比普通白絲的長(zhǎng)一些。原因可能是天然彩絲的非晶區(qū)較普通白絲的大,非晶區(qū)分子排列不夠規(guī)整,分子間的作用力較小,受相同的負(fù)荷時(shí),非晶區(qū)大的會(huì)產(chǎn)生較大的形變。從圖5還可以看出,彩絲的斷裂強(qiáng)度較白絲低。纖維的結(jié)晶度越高,纖維大分子排列越規(guī)整,縫隙空洞越小、越少,大分子間結(jié)合力越強(qiáng),纖維的斷裂強(qiáng)度就較高。天然彩絲的結(jié)晶度要比普通白絲的小些,所以天然彩絲的斷裂強(qiáng)度比白絲要低一些,與理論正好相符。另外,纖維中大分子的取向度越高,也就是大分子沿纖維軸向排列的平行程度越高,在拉伸中同時(shí)受力的大分子數(shù)量就越多,表現(xiàn)出來(lái)的宏觀纖維斷裂強(qiáng)度就越高,纖維的強(qiáng)度和模量就會(huì)越大,伸長(zhǎng)會(huì)越小,這些特點(diǎn)正好和普通白絲相符,所以推測(cè)天然彩絲的取向度要比普通白絲的低。2種纖維的部分物理及拉伸性能見(jiàn)表3。從中可以看出,天然彩絲的斷裂伸長(zhǎng)率比普通白絲的稍大,其彈性模量比普通白絲的小。彈性模量主要決定于絲素非晶區(qū)分子之間的排列狀態(tài),分子排列的規(guī)整性越差,分子間的結(jié)合力就越小,材料內(nèi)的空隙體積增加,提供了各運(yùn)動(dòng)單元的活動(dòng)空間,使分子的活動(dòng)性增加,彈性模量就降低,即結(jié)晶度低的材料內(nèi)部的空隙體積大,彈性模量低。天然彩絲的結(jié)晶度低,所以天然彩絲的初始模量較低。從表3還可以看出,天然彩絲的線密度比普通白絲的要小,這一特點(diǎn)決定了天然彩絲截面的形貌與普通白絲稍有不同,也決定了用其織造成的新型制品將具有獨(dú)特的光澤與風(fēng)格。3天然彩絲的結(jié)構(gòu)天然彩絲的絲素分子