天然柞蚕茧基本性能研究

肖信香，余博文，朱文清，李建强*



天然柞蚕茧基本性能研究

肖信香1, 2，余博文1，朱文清2，李建强1*

（1. 武汉纺织大学 纺织科学与工程学院，湖北 武汉430073；2. 湖北枫树线业有限公司，湖北 鄂州 436000)

对天然柞蚕茧壳进行SEM观察，进行基本规格检验、力学性能以及透气性等研究。结果表明：柞蚕茧壳外表面的蚕丝无规律地松散纠缠在一起，内表面结构紧密、平整光滑；柞蚕茧的厚度仅为0.39 mm，克重能达到304.6 g/cm2；具有良好的力学性能、较低的透气率和良好的温度稳定性。

柞蚕茧；螺旋取样；力学性能；透气性

1 前言

中国是柞蚕的起源地，也是世界上最大的柞蚕生产地，尽管商业柞蚕的年产量已经达到数万吨，然而对它的研究却不多。早期的研究主要集中在柞蚕的养殖，柞蚕丝的结构、性能及其应用等方面。研究表明柞蚕丝主要成分为丝素蛋白和丝胶蛋白，其中丝素蛋白约占蛋白总量的80%左右，丝素含有人体必需的18种氨基酸；由于蚕丝蛋白具有保湿、抗氧化和抗衰老等优良性能，近年来被广泛应用于保健食品、化妆品以及生物医药等非纺织领域，并取得了很大的研究成果[1-3]。邵正中，付诚杰等通过强迫拉丝方法从野生柞蚕纺器中获得几乎没有宏观缺陷的柞蚕丝，进而对柞蚕丝的力学性能进行了深入的研究。通过湿态拉伸试验发现了强拉柞蚕丝的超收缩现象，以及不同温湿度下各种力学性能的变化趋势等[4-5]。王训该教授等对柞蚕茧微观结构及物理、化学性能和相关机理进行了深入研究。研究发现：丝胶由茧层内到外逐渐增加，丝胶通过吸收紫外光有效地防止了紫外辐射和蚕丝的光降解；野生蚕茧具有坚固复杂的结构和强的断裂强力，茧层之间的附着力大；从导热、阻热、散热、吸热等方面进行了实验分析，结果表明：相对家养蚕茧，野生蚕茧的温度缓冲能力更强；沉积在蚕茧表面的草酸钙晶体虽然不能提高茧层之间的附着力却有利于蚕茧硬度的提高，有利于对紫外C的吸收，同时通过将静止空气阻挡在茧壳内从而提高其热稳定性[6-8]。

目前，对柞蚕茧的研究很少，特别是对柞蚕茧力学性能的研究基本没有。柞蚕茧是一种经过几千年自然选择而形成的天然非织造材料，虽然轻薄却可以保护蚕免受自然界的各种侵害，为蚕的新陈代谢提供良好的环境。因此，对柞蚕茧进行规格和各种性能的研究有利于增加对柞蚕茧的认识，扩宽蚕茧的应用领域，为柞蚕茧的研究提供一定的参考。

2 实验及分析

2.1 实验原料

本实验原料为辽宁地区的天然柞蚕茧。

2.2 柞蚕茧电子扫描

在飞纳扫描电镜（型号:Phenom-World pro）下面，通过不同放大倍数观察柞蚕茧的微观结构。

外表面有很多不规则的块状物体。研究表明这种块状物是草酸钙晶体，它的存在对于蚕茧具有重要的意义，不仅有利于蚕茧硬度的提高和对紫外C的吸收，而且能通过将静止空气阻挡在茧壳内从而提高其热稳定性[6-8]。

如图1所示：柞蚕茧壳外表面的蚕丝无规律的互相纠缠在一起，有扭转、翻折以及穿插等各种形式，结构比较松散；每一根柞蚕丝都是由两个平行排列的单丝通过丝胶抱合而形成，其直径约为50μm；外表面草酸钙晶体，分布不均匀且尺寸不稳定，边长在2μm左右。通过图2发现：柞蚕茧内表面结构紧密、平整光滑；蚕丝通过“Y”型、“十字”型以及各种不同角度的交叉编织在一起；草酸钙晶体数量明显少于外表面。

图1 蚕茧外表面形态

图2 蚕茧内表面形态

2.3 单丝物理性能

在温度为20 ℃，湿度为65 %的恒温恒湿环境中，利用Textechno H.Stein生产的万能型全自动单纤物性分析仪对柞蚕茧表面浮丝进行测试，预加张力为0.50 cN.tex-1。分别从10个不同蚕茧上取样。

表1 柞蚕单纤物性分析结果

通过表1对比发现：柞蚕丝与家蚕丝强度相当，但柞蚕丝细度为7.77dex，相对家蚕的较粗从而导致柞蚕丝断裂强力相对家蚕丝也较高。从测试结果标准偏差可以发现野生柞蚕丝粗细不均匀且各项性能稳定性差，这主要是野生柞蚕茧生存环境复杂导致的。

2.4 柞蚕茧的性能

2.4.1 取样方式

蚕茧体积较小，呈椭圆形，长轴约为47.21±30.27mm，短轴约为24.55±0.28 mm[8]。因此在进行式样规格、物理机械性能测试时应注意取样方式。本文采用一种特殊的螺旋法取样。

在柞蚕茧表面用黑色签字笔按照宽度为1 cm，螺旋升级为200画出裁剪路线图。此种方法有效地利用了柞蚕茧自身的立体形状，可以使所取式样长度达到10 cm以上，方便后续的测试以及对于产品的开发利用。

2.4.2 柞蚕茧基本规格

将螺旋法取得的柞蚕茧条样在热压机下定型。热压机型号为R-3202，温度为40℃，压力为30Mpa，时间30min。

用电子游标卡尺测试其厚度。同一个样品测试5次，随机测试10个样品，取其平均值。

测试柞蚕茧克重。随机取10个定型处理后的条样，裁剪为面积为1 cm2的块状蚕茧，称重从而得到其克重。

表2 蚕茧基本规格

柞蚕茧的厚度仅为0.39 mm，克重却能达到304.6 g/m2，进一步证明柞蚕茧结构紧密，具有良好的防护作用。

2.4.3 柞蚕茧壳机械性能

（1）利用万能强力仪H10KL对螺旋法取样的式样（宽度为1 cm，厚度为0.039 cm)进行拉伸性能测试，夹持距离为50.00 mm，拉伸速度2.000 mm/min。

图3 螺旋取样法示意图

图4为条状柞蚕茧拉伸曲线，与纤维的拉伸曲线一样呈现出三个区域即：虎克区，屈服区和断裂区。其中平均断裂强力为283.8 N，CV值为11.26 %。平均伸长率为35.32 %，CV值为9.917 %。

图4 带状柞蚕茧拉伸曲线

（2）利用YG065H型织物顶破强力仪对蚕茧进行顶破性能测试。

表3 柞蚕茧顶破性能

柞蚕茧顶破强力和压力都达到800 N以上，顶破位移不到4 mm，短时间能吸收高能量，局部有较高的能量吸收能力。

2.4.4 柞蚕茧壳透气性能

蚕茧通过茧壳控制里面的静止空气来达到良好的温度稳定性，纤维表面的草酸钙晶体也影响着其控制能力。透气性也在一定程度上反应了其静止空气控制能力。

利用YG（B)461D型数字式织物透气量仪进行测试。由于蚕茧特殊的椭球空间结构，因此其透气性的测试不同于传统的织物的测试方法，在不改变蚕茧原有的形态下，采用如图5所示的三种方式进行测试，每种测试形式随机选取10个样品，测试面积设置面积为5 cm2，压差为100 MPa。

①②③

图5中①为螺旋取样后剩下的一端，②是①号的反面，③为一端开口的自然态柞蚕茧。由于蚕茧表面特殊结构导致表面不光滑且自身有一定刚度，因此密封性能差。实验时在柞蚕茧与试样直径定值圈接触的外表面粘贴双面胶，起到固定和密封的作用。测试结果如图6。

图6 柞蚕茧透气率

图6中①，②种形式下测试结果很接近；③相对①，②透气率略微增加。这主要是由于③状态下体积增大，导致展开面积比较大，出现薄弱片的概率增加；另外由于其形状不规则导致投射到测试平面的实际测试面积有可能超过5 cm2；两个原因共同造成测试数据略微增大。在一定范围内，非织造材料的透气性越小，保暖性越好。柞蚕茧透气率约为45mm/s左右，从侧面反映了它良好的温度稳定性。

3 结论

（1）利用扫描电镜的不同放大倍数对柞蚕茧的微观结构进行分析。发现：柞蚕茧由外到内结构逐渐紧密，蚕丝之间的纠缠交织方式多样化。

（2）对柞蚕茧进行拉伸、顶破测试。带状柞蚕茧强力为283.8 N，顶破强力达到825.2N，表明柞蚕茧具有良好的力学性能。

（3）在不改变蚕茧原有的形态下，测试柞蚕茧透气性，其透气率仅为45 mm/s左右，具有良好的温度稳定性。

综上所述，天然柞蚕茧具有复杂的结构，良好的物理性能、温度控制性能；本文进行柞蚕茧的相关性质、理论的探究，利用其优良性能并开发相关产品具有重要意义。如带状柞蚕茧与一些高性能纤维进行编织，形成一种天然非织物与机织结合的产品，有利于扩宽蚕茧的应用领域。

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Study of the Basic Performance of Natural A.pernyi Cocoon

XIAO Xin-xiang1, 2, YU Bo-wen1, ZHU Wen-qing2, LI Jian-qiang1*

(1. Department of Textiles Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China; 2.HuBei FengShu Thread Manufacturing Company Limited, EZhou HuBei 436000, China)

This paper researches natural A.pernyi cocoon, such as electron microscope, the basic specification test, mechanical properties and gas permeability experiment, etc. The results show that the outer surface silk intertwined together, irregular and loosely; the inside surface structure of A.pernyi cocoon is tight and smooth; thickness of A.pernyi cocoon is only 0.39 mm, the weight is able to reach 304.6 g/cm2; it has high mechanical properties and temperature stability.

A.pernyi cocoon; spiral sampling; mechanical properties; permeability

TS143.22

A

2095－414X(2015)03－0005－05

李建强（1964-），男，教授，研究方向：纺织材料与纺织品设计.