表面工程技术在桑蚕锦上的拓展与实验

李世超 唐长波（苏州市职业大学丝绸应用技术研究所 江苏苏州215104）

表面工程技术是通过在材料表面的涂覆，表面改性以及多种表面技术的复合处理来改变材料表面的形态、化学成分、组织结构或应力状况，以获得所需材料表面性能的系统工程。其中，被处理的材料以金属材料为主，同时也可以是一些非金属的材料。由于该技术能不改变材料的整体材质而获得自身所不具备的某些特殊性能，或者对材料实施有效的表面防护，因此，在产品的制造领域得到了广泛的应用，成为了一种先进的生产技术[1]。本实验运用表面工程技术原理，在桑蚕锦织物材料上进行拓展与实验，以实现对高档丝绸装饰类制品的有效保护。

1 实验材料与设备

1.1 实验材料

桑蚕锦织物：成份100%桑蚕丝，外购。

表面处理剂：水溶性成膜树脂乳液，含固量30%，江苏省丝绸科学研究所提供。抗菌剂：FM-2598，江苏省丝绸科学研究所提供。标准菌株：PS-11标准青霉菌株，苏州市职业大学微生物实验室提供[2-3]。

查氏培养基:硝酸钠2g，磷酸氢二钾1g，氯化钾0.5g，硫酸镁0.5g，硫酸亚铁0.01g，蔗糖30g，琼脂15-20g，水1000ml，自行配制。

1.2 实验设备

液槽、轧液滚筒（自制），E5EM型压烫机（苏州远东五金电器厂），日立S—4700型扫描电子显微镜（日本株式会社日立制作所），电子织物强力机，织物悬垂性测试仪，JB-CJ-1F型超净工作台（苏州净化设备有限公司），AutoclavoES2315型高压灭菌锅（上海博迅实业有限公司医疗设备厂），ZH⁃WY22102型恒温培养箱（长沙湘仪离心机设备有限公司），YG（B）026PC电子织物强力机（温州市大荣纺织仪器有限公司），YG811织物悬垂性测试仪（温州纺织仪器厂），AP-360织物透气量测试仪（日本大荣精器所）。

2 实验方法

2.1 实验试件的制作

用水稀释成膜树脂乳液至浓度10%，再加入5%的抗菌剂形成使用液。将桑蚕锦织物小样均匀地浸入该液中，浸渍时间共30分钟，期间经浸渍15分钟后取出，用轧液滚筒在其表面轻微滚轧二次，然后经自然干燥，再放入压烫机中正反面压烫各1分钟，压烫温度为75℃。形成本实验试件，备用。

2.2 电镜扫描实验

将桑蚕锦织物和经制作的实验试件分别进行喷金处理，用扫描电子显微镜观察并记录其表面的形态，扫描电镜放大倍数为50倍。

2.3 抗真菌霉变实验

2.3.1 试样准备：将桑蚕锦织物和制作的实验试件分别剪取直经为3.8±0.5cm的圆形试样，分成两组备用。2.3.2 菌悬液制作：从成熟的青霉子实培养菌上刮削下碎屑，加入到50±1ml的无菌水和放有玻璃珠子的三角烧瓶中用力摇晃，使孢子悬浮于水中制成孢子悬液。

2.3.3 接种：将1.0±0.1ml的孢子悬液均匀地分散于琼脂表面。

2.3.4 浸润：圆形试样用溶有0.05%非离子润湿剂的水预润湿，然后置于琼脂表面，再用消过毒的移液管在每只圆形试样上均匀涂布0.2±0.01ml的菌种悬液。2.3.5 培养与记录：将园形试样置于培养皿中，并在28±1℃条件下孵化。经6天、9天、12天……直至15天的培养，观察和记录圆形试样表面真菌侵蚀情况[4-5]。

2.4 强伸性实验

将桑蚕锦织物和制作的实验试件剪取宽度为50mm的条型试样，在织物强力机上分别测试其断裂强力与伸长。其中，设置隔距长度为200mm± 1mm，预制张力为200CN，拉伸速度为100mm/min[6]。

2.5 悬垂性实验

将桑蚕锦织物和制作的实验试件剪取直经为240mm的圆型试样，在织物悬垂性测试仪上分别进行悬垂系数测试[7]。

2.6 透气性实验

将桑蚕锦织物和制作的实验试件剪取试验面积为20cm2的试样，在织物透气量测试仪上分别进行透气性测试，得到经表面复合处理前后材料的透气率，试验压降为100Pa[8]。

3 结果与讨论

3.1 桑蚕锦织物材料的特性与表面处理工艺

桑蚕锦是一种用桑蚕纤维经纬交织而成的丝绸织物材料，它采用“锦”类的组织结构，决定了这种织物材料表面的结构特性相对较为疏松。锦类组织结构是由多组经纬丝线重叠在一起通过相互交叉而形成的一种材料结构，因而在其表面不可避免地存在着一定量的浮长丝线，以及组织正反面的沉背接结，桑蚕锦织物的组织截面结构如图1所示。

图1 桑蚕锦组织截面结构图

桑蚕锦表面结构虽然疏松，但由于丝线重叠交叉，材料自身的覆盖因素并不低，不像有些丝绸织物材料如纱、罗等品种，在结构上存在着较高的开放度。另外，桑蚕锦织物材料的表面有着一定量的丝线浮长，因而在材料的组织上又没有像纺、绸类丝绸品种那样，具有着较为稳固的结构。织物进行表面工程处理其常规的方法是表面涂覆，即采用刮刀或辊式涂头将表面处理剂直接在材料表面进行刮涂或表面滚涂，通过外力使处理剂从织物的丝线孔隙中渗透到材料的背面，并充满材料孔隙，固定住织物中丝线的交织点，从而防止丝线在织物中自由滑移，最终使织物成为一种极为封闭，硬挺与牢固的材料结构。而桑蚕锦鉴于自身材料的表面特性以及表面处理的目的与实际用途，决定了这种表面处理的方式不能简单地延用织物表面涂覆处理的常规方法，而应当采用在桑蚕锦织物材料的表面实现有限度地渗透，以及与其纤维有效的啮合。也就是说在表面工程处理时，既要考虑处理剂在桑蚕锦表面渗透的有限性和啮合的有效性，在处理剂不完全渗透到材料背面的情况下，最终在材料中的纤维表面形成良好的成膜保护，同时还不能因处理而引起桑蚕锦疏松的表面丝纤维局部滑移错位，以破坏材料表面的结构及原有的特性。况且桑蚕锦的这种表面处理又是在经纬向松式的状态下进行的，刮刀或辊式涂头对织物材料进行表面刮涂或表面的滚涂处理往往难于实现。

本实验采用多浸多轧的方法对桑蚕锦材料进行表面工程处理，也就是在浸渍的过程中增加多次轻微的滚轧，首次滚轧控制在织物浸渍15分钟之后，这样使相对干燥的材料在处理液中能得以充分的湿润。在有限渗透的同时，用滚轧来增加处理剂与桑蚕锦织物材料表面的有效啮合，以及在凹凸不平的材料表面实现其表面处理的均匀性。由于桑蚕锦表面工程处理过程是处于一种相对无张力的松式状态，因而处理液的粘度应控制适当，不能因粘度过高而造成在轻微滚轧时表面丝纤维的滑移和错位。

图2为桑蚕锦经表面处理后通过电镜扫描所得到的表面形态情况，从SEM照片中可以看到，桑蚕锦织物经处理后，其纤维已被处理剂整体包覆，成膜情况良好。

图2 桑蚕锦表面处理后的成膜情况

3.2 桑蚕锦表面工程处理后抗真菌性能的比较

桑蚕锦织物进行表面工程处理，目的是要在桑蚕锦材料的纤维表面形成保护膜，阻隔真菌类微生物对桑蚕材料的侵蚀。桑蚕纤维是一种有机质地的材料，是微生物生长所需要的微量营养元。所以在环境条件适宜的情况下，漂浮于空气中的真菌就会定殖于桑蚕锦材料表面，通过吸收氧气，迅速地生长繁殖，直到产生孢子与形成菌落。表面工程处理是设计了一种成膜树脂的表面处理剂作为中间介质体在材料表面进行处理，通过该中间介质既使桑蚕锦与空气这两个物相空间互相关联，同时又使之隔开，阻碍真菌菌丝深入到桑蚕材料的基质内部，切断生长的营养源，达到抑制真菌微生物的繁殖。表面工程处理使桑蚕纤维形成了一个相对封闭隔氧的小环境，在起到抵御外界微生物对内部侵入的同时，还起到了保持内部材料环境不受外部条件如湿度、氧气、酸碱度等因素的影响。

如将抗菌材料设计在该成膜树脂处理剂中，在起到阻隔作用的同时，还将进一步地断开菌类物质键方式进行杀菌，以单一隔绝这种被动式的抑菌转变成既隔绝又杀菌的主动式抗菌。这时它以不可逆转式的方式抑制微生物的生长，消灭其活体，最终导致其菌类细胞的死亡，实现良好地杀菌抑菌作用[9]。

图3和图4分别为未经表面工程处理和已经表面工程处理的桑蚕锦织物通过殖菌培养所拍摄的表面真菌生长图，培养时间分别为6天、9天、12天和15天。

图3 未经处理的桑蚕锦表面真菌生长状况

图4 已经处理的桑蚕锦表面真菌生长状况

实验结果表明，桑蚕锦织物材料在其表面形成了抗菌保护膜后，真菌无法对其进行侵蚀，如图4所示。实验经殖菌培养15天后，材料表面仍然清晰干净，真菌无法在其表面生存。此外，由于保护膜本身的抗菌作用，真菌不仅在其表面无法生存，而且还只能远离该材料。实验中当殖菌培养近12天时，在培养皿内边缘区域发现有局部性的菌孢生长并逐步形成菌落，即图4中培养皿边缘的黑色区域所示，但可以看到这时桑蚕锦材料表面的状况仍然是清晰干净。

而未经表面处理的桑蚕锦材料情况就大不相同。如图3所示，当殖菌培养6天后，织物材料表面就逐步产生了真菌孢子，但孢子的分布大小还较为零碎；培养9天后，孢子就明显地形成了大小不一的菌落，当培养到第15天时，真菌孢子所形成的菌落已几乎完全复盖住了材料的表面。按照《纺织品的抗真菌能力评估：纺织品抵抗霉变和腐烂能力》AATCC—30标准，这时已属于达到了“宏观增长”的状况，也就是“肉眼范围内观察已十分明显”的程度。和经处理剂处理后的桑蚕锦材料相比，可以认为：处理后的桑蚕锦材料属于“无增长”，其抗菌和抑制微生物生长的效果十分明显。

3.3 表面工程处理对桑蚕锦织物材料性能的影响

桑蚕纤维是由家蚕经人工殖养结茧后缫制而成的天然纤维，具有着良好的强伸性和柔软性，是一种性能优良的纤维材料。用该纤维制作桑蚕锦织物，其织物材料也保持着其相应的良好特性。同时，桑蚕锦织物材料又经表面工程处理，在其纤维表面形成了一种抗菌的保护膜，使材料的抗菌防腐性能大大提高，为桑蚕锦作为一种材料或制品用于各种高档装饰用途，在材质与功能等方面提供了良好的性能。但是，织物材料表面的处理往往会使材料因表面处理剂的渗透粘结，而充满材料的各种孔隙，固定住材料中丝线的交织点，阻碍织物中丝线的自由滑移，影响材料的伸长特性和柔软特性，最终使织物成为一种硬挺、封闭的材料结构，从而使材料原有的良好性能与最终实现抗菌防腐的功能难于兼顾。

桑蚕锦织物作为一种高档的丝绸应用材料与制品，表面的工程处理应以少影响或不影响其原有的优良性能为宗旨，特别是它良好的强伸率、柔软性与透气性不能因表面材料的处理而受破坏，以致使经抗菌防腐处理后的制品失去其材料原有的优良性能。本实验采用处理剂在纤维表面有限度地渗透和有效地啮合，技术上兼顾了材料原有的特性与添加的功能，经表面工程处理使材料实现了防腐抗菌的目标。

表1 材料表面工程处理前后桑蚕锦织物材料的强伸率、柔软性与透气性指标的试验情况

从表中看到，桑蚕锦经表面工程处理后材料的断裂强度微量变化，影响不大。而材料的断裂伸长率得到了一定量的提高，即从表面工程处理前的16.08%提高到处理后的17.88%。它说明处理剂并没有从材料组织的孔隙中渗透到织物的背面，固定住织物中丝线的交织点，从而阻止丝线在织物中的自由滑移。恰恰相反，这种有限的渗透与有效的啮合仅发生在材料纤维的表面，因而它有效地润滑了材料中的纤维，所以在外力作用下纤维间产生了一定量的位移，导致伸长率的提高。

材料的悬垂性是指材料因自重而自由下垂的性能，在一定的程度上反映了材料的柔软程度，而悬垂系数是材料试样在实验中下垂部分的投影面积与其原面积之比的百分率，因此，悬垂系数越小，反映其材料越柔软。桑蚕锦由于其自身纤维材料的柔软，因而制成的织物也极为柔软。从悬垂实验的数据来看，材料下垂部分的投影面积与其原面积之比为24.5%，小于了一般纺织织物材料30%的悬垂系数量。而经表面工程处理后的桑蚕锦织物材料其悬垂系数实测值为24.8%，仅大于处理前的0.3%，大大地小于材料悬垂性试验方法±2%的误差范围。可以认为成膜树脂乳液对桑蚕锦织物的表面处理没有破坏整个材料的疏松结构，整个织物材料仍然保持着良好的柔软性能。

综合材料的强伸性与柔软性，可以反映出表面工程处理在增加防腐抗菌特性的前提下基本上没有改变和破坏材料的原有功能与结构，这在透气性试验上再次得到了验证。由于常规表面处理往往会使材料变硬，透气性大幅下降，而本实验经表面处理后的材料经透气率测试，其值仅微量下降了5.4%，理论上可以认为织物材料中纤维之间的孔隙仍然通畅，该表面处理技术对桑蚕锦材料原有的性能影响较小。

4 结语

表面工程技术通过在材料表面的涂覆可以改变材料的表面性能以及对材料实施有效的表面防护，它不仅在金属材料上使用，而且在非金属材料包括纺织材料表面也可大量地应用。由于该技术能不改变材料的整体材质而获得自身所不具备的某些特殊性能，因此，在产品的制造领域或产品的使用领域都是一种先进的生产和应用技术，前景良好。

运用表面工程技术原理在桑蚕锦织物材料上进行拓展与实验，不仅增加了材料原有不具备的某些特性，而且合理的工艺研究和应用，可以兼顾材料原有良好性能的持续。特别是在纤维表面采用了有限地渗透和有效地啮合，在获得良好抗菌防腐性能的同时，可以提高织物材料的断裂伸长率，稳定织物材料的强力和悬垂系数，使织物材料继续保持良好的透气性。

表面工程技术在桑蚕锦织物上的运用，可以通过设计中间介质体使桑蚕材料与空气这两个物相空间既关联又隔开，阻碍真菌菌丝深入桑蚕材料基质内部，切断其生长的营养源，缓和微生物对桑蚕有机材料的侵蚀和污染。同时，将抗菌材料组合到处理剂中，在阻隔的同时进一步地杀灭菌体，从单一的被动隔绝到既隔绝又杀菌的主动式抗菌。这种方法可应用至桑蚕材料的装饰制品、工艺制品、桑蚕家纺以及桑蚕工业用品等领域，满足这类产品不洗涤或不能洗涤的使用特点，实现对高档桑蚕装饰类产品的有效保护。

［1］姜银方.现代表面工程技术［M］.北京：化学工业出版社，2006：3-12.

［2］田金英，王春蕾，白志平.古代文物丝织品霉斑清除的研究［J］.文物保护与考古科学，2005,17（4）：1-6.

［3］周德庆主编.微生物学实验手册[M].上海:上海科学技术出版社,1986:164-194.

［4］熊元林主编.微生物学实验［M］.武汉：华中师范大学出版社，2008：30-35.

［5］季君晖主编.抗菌材料［M］.北京：化学工业出版社，2004：344-348.

［6］［7］［8］纺织工业标准化研究所.中国纺织标准汇编［M］.北京：中国标准出版社，2007：（1）215-221，（4）172-175，（1）297-302.

［9］李世超，唐长波.异噻唑啉酮类树脂对真丝绸的抗菌整理［J］.丝绸，2009(9)：29-31.