微波辐射对桑蚕丝结构和性能的影响分析

李雨沛，赵 雪,b，展义臻

(1.绍兴文理学院 a.纺织服装学院；b.浙江省清洁染整技术研究重点实验室，浙江 绍兴312000；2.杭州新生印染有限公司，杭州 311221)

蚕丝织物具有吸湿、透气和舒适等功能，对蚕丝织物进行改性处理可以更好地改进蚕丝的性能并赋予其更多功能性，同时也为微波在蚕丝织物功能整理改性中的应用奠定理论基础。传统的化学改性处理方法具有加热处理时间长、能耗高、污染环境等问题[1-2]，且改性加热方式是采用热传导的加热方式，物品表面先受热，然后热量传入物体的内部，内部的温度总比表面温度低，可能导致加热处理不均匀。

微波具有很强的选择性，对织物进行微波改性加热处理，极性分子在微波的作用下可以高速运动，分子间相互碰撞、摩擦而产生热效应[3]。采用微波改性加热处理织物，具有时间短、能耗少、环保和处理均匀等优点[4-5]，国内外很多研究都采用微波对蚕丝进行改性处理[6-8]，如用微波对蚕丝进行精炼处理，使蚕丝纤维本身产生热量，溶解蚕丝中的丝胶等不纯物以去除丝胶而获得好的精炼效果。本文采用微波辐射技术对蚕丝织物进行改性处理，研究不同的微波辐射功率、辐射时间对蚕丝织物结构和性能的影响，分析不同的微波辐射条件与蚕丝织物化学结构、表面形态结构、微结构和物理机械性能之间的变化规律。

1 试 验

1.1 材 料

桑蚕丝织物：56根/cm×56根/cm，72 g/m2(杭州新生印染有限公司)。

1.2 仪器及设备

仪器：MAS型频率为2 450 MHz微波加热系统(上海新仪微波化学科技有限公司)，IRPrestige-21傅里叶变换红外光谱仪(日本岛津株式会社)，Empyrean X射线衍射仪(荷兰帕纳科)，SNG-3000扫描电子显微镜(韩国赛科有限公司)，H10K-L万能材料试验机(美国Tinius Olsen公司)，WSB-3A智能式数字白度仪(温州方圆仪器有限公司)。

1.3 改性方法

常态蚕丝织物用对微波基本无吸收的聚乙烯薄膜袋封装密封后放入微波装置内处理，分别在五种不同的输出功率(119、280、462、595、700 W)下处理(5、10、15、20、30、60 s)，然后将织物从微波装置慢慢移除，冷却。

1.4 测试方法

1.4.1 纤维化学结构

采用IRPrestige-21傅里叶变换红外光谱仪对未经改性和经微波改性处理的蚕丝纤维化学结构进行测试，扫描波数范围为4 000～500 cm-1，光谱分辨率为0.5 cm-1。

1.4.2 纤维表面形态结构

采用SNG-3000扫描电子显微镜对试样进行喷金处理，加速电压为30 kV,对未经改性和经微波改性处理的蚕丝纤维表面形态结构进行观察。

1.4.3 纤维微结构

采用Empyrean X射线衍射仪靶材为Cu，扫描范围5°～60°，对未经改性和经微波改性处理的蚕丝纤维结晶度进行测试。根据X射线衍射图和下式计算结晶度：

(1)

1.4.4 断裂强力测试

采用GB/T 3923.1—2013《织物断裂强力和断裂伸长率的测定》对未经改性和经微波改性处理的蚕丝织物的断裂强力和断裂伸长率进行测试,样品尺寸250 mm×50 mm，拉伸速度100 mm/min。

1.4.5 白度测试

采用WSB-3A智能式数字白度仪，标准照明体光源D65，测量孔φ32 mm，对未经改性和经微波改性处理的蚕丝织物白度进行测试。

2 结果与分析

2.1 微波辐射对蚕丝织物断裂强力和断裂伸长率的影响

参照1.3改性方法选用不同的微波辐射功率(119、280、462、595、700 W)和辐射时间(5、10、15、20、30、60 s)对蚕丝织物进行改性处理。研究不同的微波辐射功率、辐射时间对蚕丝织物断裂强力和断裂伸长率的影响，强力和伸长率保持率的结果见图1和图2。

注：原布经向断裂强力为536.16 N。图1 微波辐射对蚕丝织物断裂强力的影响Fig.1 Effect of microwave radiation on the breaking strength of silk fabric

注：原布经向断裂伸长率为40.85%。图2 微波辐射对蚕丝织物断裂伸长率的影响Fig.2 Effect of microwave radiation on the elongation at break of silk fabric

由图1可知，蚕丝织物经微波处理后断裂强度得到提高，是因为蚕丝纤维的回潮率约为8%～14%，蚕丝纤维当中的水分主要以结合态水的方式存在，结合态水吸收微波能量较少，热效应不显著[9-10]。因此蚕丝纤维可以直接获得较多的微波能量，而结合态水的存在有利于蚕丝纤维内部非结晶区结构的调整，蚕丝纤维在加工过程中积累和产生的内应力得到松弛，从而使蚕丝织物经微波短时间处理后断裂强度得以提高。

由图2可知，蚕丝织物的断裂伸长率经微波辐射处理后增加，断裂伸长率除了受到断裂强力增加所带来的影响，由于蚕丝纤维当中存在结合态水分子，另外与蚕丝纤维在微波湿热处理状态下的热收缩也有关系。

2.2 微波辐射对蚕丝织物白度的影响

参照1.3改性方法选用不同的微波辐射功率(119、280、462、595、700 W)和辐射时间(5、10、15、20、30、60 s)对蚕丝织物进行改性处理。研究不同的微波辐射功率和辐射时间对蚕丝织物白度的影响，结果见图3。

注：原布白度为77.6。图3 微波辐射对蚕丝织物白度的影响Fig.3 Effect of microwave radiation on the whiteness of silk fabric

从图3可以看出，对比未经处理的蚕丝，经过微波处理后蚕丝织物的白度略微下降，这主要与在微波湿热处理下蚕丝织物的泛黄有关，蚕丝织物经微波辐射处理后白度下降不显著。

2.3 化学结构分析

参照1.3改性方法选用700 W微波辐射功率，辐射时间(5、10、30、60 s)分别对蚕丝织物进行改性处理。研究微波改性处理对蚕丝纤维化学结构的影响，未经处理和经微波辐射处理蚕丝纤维的红外光谱见图4。

图4 未经处理和经微波辐射处理蚕丝纤维的化学结构Fig.4 Chemical structure of silk fibers untreated and treated with microwave

从图4可以看出，未经处理的蚕丝的红外光谱曲线与微波处理过的蚕丝相比变化不大，微波辐照对蚕丝纤维的化学结构没有显著影响。

2.4 结晶度分析

参照1.3改性方法选用700 W微波辐射功率辐射时间(10、30、60 s)分别对蚕丝织物进行改性处理。研究微波辐射处理对蚕丝纤维结晶度的影响，未经处理和经微波辐射处理蚕丝纤维的X射线衍射分析结果见图5。

图5 未经处理和经微波辐射处理蚕丝纤维的结晶度Fig.5 Crystallinity of silk fibers untreated and treated with microwave

根据式(1)计算，得到的微波处理前后蚕丝纤维结晶度如图6所示。

图6 微波处理前后蚕丝纤维的结晶度Fig.6 Crystallinity of silk fibers before and after treatment with microwave

由图6可知，蚕丝纤维经微波短时间处理后结晶度有所增加，微波辐射时微波电场主要作用于蚕丝纤维，蚕丝纤维内部结合态水的存在有利于纤维非结晶区结构的调整，改变了非晶区结构的面积，从而使结晶度有所提高。

2.5 表面形态结构分析

参照1.3改性方法选用700 W微波辐射功率，辐射时间(5、10、30、60 s)分别对蚕丝织物进行改性处理。研究微波辐射处理对蚕丝纤维表面形态结构的影响，未经处理和经微波辐射处理蚕丝纤维的表面形态结构分析结果见图7。

从图7可以看出，蚕丝纤维经微波辐射处理5、10、30 s后表面形态结构没有明显改变，经微波辐射处理60 s之后表面形态结构略变粗糙，微波辐射对蚕丝纤维表面形态结构有一定的影响，经微波长时间湿热环境下处理表面形态结构略变粗糙。

3 结 论

本文采用微波辐射技术对蚕丝织物进行改性处理，研究了不同微波辐射功率、辐射时间对蚕丝织物结构和性能的影响。结果表明，经微波辐射处理后，蚕丝织物的断裂强力和断裂伸长率提高，白度略微下降，蚕丝织物的化学结构没有显著改变，结晶度有所提高，经微波辐射处理60 s之后表面形态结构略变粗糙。研究微波辐射对蚕丝织物结构和性能的影响为微波辐射技术在蚕丝织物功能整理改性中的应用奠定了理论基础。