轻薄型蚕丝膜材的制备、结构及性能测试

王慧玲 周彬 黄诗慧 周红涛 于灿

摘要： 为了完好地保留蚕丝上的丝胶，扩大蚕丝的应用领域，文章通过改变蚕吐丝结茧的习性，引导180只成熟桑蚕在表面光滑的方形PVC平板（66 cm×220 cm）上进行吐丝，得到一款轻薄且均匀的蚕丝膜材。该蚕丝膜材呈半透明状，厚度为0.18 mm，平方米质量为38 g/m2，扫描电镜下膜材上的蚕丝形态呈现出规则的交叉分层叠放，孔隙分布均匀，孔隙率为83.76%。通过一系列的实验，对蚕丝膜材的干湿强力、伸长、透气、抗菌等性能进行测试。实验结果显示，该膜材在干态下的强力大于湿态，干态下的断裂伸长小于湿态伸长，各部分透气均匀，对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌均具有一定的抗菌性。

关键词： 蚕丝膜材;轻薄;结构;抗菌;性能测试;丝胶膜

中图分类号： TS102.33

文献标志码： A

文章编号： 10017003（2021）07000905

引用页码： 071102

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.07.002（篇序）

Study on preparation， structure and performance of thin and light silk membranes

WANG Huiling1，2，3， ZHOU Bin1，2，3， HUANG Shihui1， ZHONG Hongtao1，3， YU Can4

（1.Textile Garment School， Yancheng Polytechnic College， Yancheng 224005， China; 2.School of Materials Science & Engineering， Zhejiang Sci-TechUniversity， Hangzhou 310018， China; 3.Jiangsu Province Engineering Research Center of Biomass Functional Textile Fiber Developmentand Application， Yancheng 224005， China; 4.Jiangsu Yueda Home Textile Co.， Ltd.， Yancheng 224000， China）

Abstract： To well preserve the sericin of silk and expand the application field of silk， 180 mature silkworms were put on a smooth square PVC plate（66 cm×220 cm） for spinning through changing the habit of silkworms spinning silk and cocooning. Then， a thin and light silk membrane of uniform thickness was obtained. The silk membrane was semi-transparent with the thickness of 0.18 mm and the weight of 38 g/m2. Under the scanning electron microscope， the silk showed regular cross stratification stacking on the silk membrane. The pores of the silk membrane were well distributed， with the porosity of 83.76%. Through a series of experiments， the dry and wet strength， elongation， air permeability and antibacterial properties of silk membranes were tested. Experimental results revealed that the dry strength of the silk membrane was stronger than the wet strength， and the elongation at break in dry state was less than that in wet state. The air permeability of each part was uniform， and the silk membrane had certain antibacterial properties against Escherichia coli and Bacillus subtilis.

Key words： silk membrane; thin and light; structure; antibacterial; performance testing; sericin membrane

收稿日期： 20210112;

修回日期： 20210610

基金项目： 江苏省高等职业教育产教融合集成平台建设计划项目（苏教职函〔2019〕26号）;江苏省高职院校教师专业带头人高端研修项目（苏教师函〔2020〕23号）;江苏省青蓝工程优秀教学团队项目（苏教师〔2019〕3號）;江苏省产学研合作项目（BY2020336）;江苏省高等职业教育高水平专业群建设项目（苏教职函〔2020〕31号）

作者简介： 王慧玲（1982），女，副教授，博士研究生，主要从事纺织新产品设计、纺织材料性能检测等研究。

蚕丝是一个复杂的蛋白质复合体，除了丝素和丝胶以外，还有着很多生物学活性的蛋白质组分[1]。蚕丝是一种可以应用在诸多高新产业的材料[2]。蚕丝中富含的丝素可以抑制微生物的生长[3]，已广泛应用于化妆品、医药领域及制备生物材料[1]。丝素蛋白还是一种良好的光学材料，丝素蛋白固定酶可以制成酶传感器。丝素膜是将丝素溶解后再生得到的薄膜状物，丝素膜又称丝蛋白膜，可用作创面保护膜，避免创口感染。天然丝胶蛋白具有良好的生物相容性，在美容护肤、抗炎和保健产品中已有应用，由丝胶蛋白制成的丝胶膜、组织工程支架材料等也已扩展应用到生物医学领域[1，4]。对丝胶进行改性，可以改善絲胶膜的性能，进一步增加其适用性[5-6]。丝素与丝胶的共混膜，可以作为胶囊的壳材[7]。丝素与其他材料共混成膜后，可以改善纯丝素膜的性能[8-9]。此外，转基因技术可以明显改善丝素膜的结构和性能，使其作为生物医用材料的优势更加明显[10]。

上述多项膜材都是以桑蚕茧的茧壳为实验材料，或者是从缫丝后的废水里提取丝胶，取材不便且质量难以保证。从源头上提高茧丝的利用率，提升原材料质量，高效、快捷地得到品质更好的蚕丝材料，是各项科研实施与转化的基础保障。还有学者尝试利用非织造成网等多种技术将蚕丝直接加工成膜，结果显示这些方法或者不适合蚕丝，或者对蚕丝的成分和性能会造成一定的损失[11-12]。

本文介绍了一种轻薄型蚕丝膜材的制备方法，利用了平板丝的生产原理，将蚕的吐丝场所限定为二维结构的平板，通过合适的工艺条件，人为控制熟蚕在平面上来回爬行吐丝，制备得到的蚕丝膜材保留了蚕丝自然的特性，省去了复杂的成分分离与合成工序。并对得到的膜材表观形貌、力学性能、抗菌性能进行测试分析，探讨其在美容面膜、医用口罩等领域的应用前景。该膜材的生产方法亦可推广到转基因蚕，以及通过给蚕喂食特殊成分的饲料，得到特殊功能的蚕丝膜材，为进一步研究开发和有效利用蚕丝提供理论支持。

1 实 验

1.1 材料和仪器

成熟桑蚕200只（广西八园农业科技有限公司），直径为10 cm表面光滑的圆形PVC平板20个，66 cm×220 cm表面光滑的方形PVC平板（配有自动变光系统）1个，同批次的普通蚕茧。

1.2 轻薄型蚕丝膜材的制备

将同一批20只成熟桑蚕分别放置于20小块表面光滑的圆形平面上吐丝制备平面茧。平面茧的制备过程如图1（a）所示，待其完成吐丝静置不动一段时间之后，将蚕蛹拿掉，茧丝称重，得到平面茧的平均质量为0.31 g。为了制备轻薄型蚕丝膜材，参考市面上轻薄型半透明384铜氨纤维面膜布的平方米质量为38.4 g/m2，将4组180只熟蚕均匀放置在66 cm×220 cm的方形平板上，以制作合适面密度的膜材。由于蚕在吐丝结茧的时候需要背光的场所，所以在膜材制作过程中，为了更好地控制熟蚕使其吐出的蚕丝成膜更加均匀，采用一套自动变光系统，分别位于吐丝区域的四个方向，按照一定的时间，自动开启一部分灯光，同时关闭一部分灯光，引导蚕向同一个方向边移动边吐丝，吐丝过程如图1（b）所示。吐丝完毕之后，通过裁剪得到22 cm×22 cm方形的蚕丝膜材，如图1（c）所示。

1.3 性能测试

1.3.1 扫描电镜

采用JSM-5600LV扫描电子显微镜（日本JEOL公司），对蚕丝膜材及普通蚕茧的表观形貌进行对比。

1.3.2 厚度测试

采用YG（B）141D织物厚度仪（温州市大荣纺织仪器有限公司），参考标准GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》中的测试方法，对蚕丝膜材的厚度进行测试，压重砝码为25 cN，加压时间为10 s。

1.3.3 孔隙率

裁取10块尺寸为15 cm×15 cm的蚕丝膜材，烘干24 h后置于大气中调湿，分别对每个试样进行称重，取平均值代入下式计算，得到蚕丝膜材的平方米质量m为38 g/m2。

m=102G0L×B（1）

式中：G0为试样质量，g;L为试样长度，cm;B为试样宽度，cm。

蚕丝的密度ρ是1 300 kg/m3[13-14]，厚度σ来源于13.2的测试结果。根据下式[15]可以计算出蚕丝膜材的孔隙率n。

n=1-mρσ（2）

1.3.4 力学性能测试

采用HT-101PT单柱拉力机（杭州金迈仪器有限公司）对蚕丝膜材进行力学性能测试，将试样裁剪成尺寸为10 mm×100 mm的长方形。样品拉伸速度为100 mm/min，隔距50 mm。通过下式将测试所得的断裂强力和断裂伸长换算为应力与应变，应用Origin软件得到相应的应力-应变曲线。

应力（MPa）=强力（N）×10-6面积（m2）（3）

应变/%=伸长（mm）隔距（mm）×100（4）

1.3.5 透气性能测试

本文采用YG461E-Ⅲ全自动透气量仪（宁波纺织仪器厂），参考标准GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定》中的测试方法，对蚕丝膜材的透气性能进行测试，选择面积为20 cm2圆形通气孔、压强为100 Pa。

1.3.6 抗菌性能测试

将测试样品紫外照射30 min灭菌。取三个100 mL锥形瓶，按照分组分别向其中加入10 mg测试样品，然后加入5 mL配置好的细菌悬液和45 mL的LB液体培养基。对照组为加5 mL细菌悬液和45 mL的LB液体培养基。然后置于恒温振荡器中（37 ℃、200 r/min）振荡培养8 h，吸取菌液做连续10倍的稀释（本文采用1︰106、1︰107和1︰108三个稀释比例）后，均匀涂布于LB固体培养基上，37 ℃培养18 h，拍照并记录菌落数。

2 结果与分析

2.1 蚕丝膜材的表观形貌

蚕丝膜材和普通蚕茧的微观结构对比如图2所示。通过SEM图像可以看出，蚕丝膜材和普通蚕茧的蚕丝纤维都呈现规律的交叉分层叠放。通过对比，普通蚕茧上蚕丝纤维之间联系得更加紧密，不易松动，这也就造成了普通蚕茧外壳较硬，不易剖开的现象;而蚕丝膜材因蚕的吐丝区域大，故膜材上蚕丝纤维排列相对疏松，孔隙略大，膜材质地柔软。在放大1 000倍的图像下观察，膜材和普通蚕茧的蚕丝纤维在微观结构上无明显差异，均为两根并列的丝素，且被外层丝胶所包裹。

2.2 厚 度

蚕丝膜材的厚度不同，其吸濕、透湿及透气的速度会有差异。本文测试样品在蚕丝膜材上呈阶梯形均匀排布，各测定点都不在相同的纵向和横向位置上，且避开了影响实验结果的疵点和褶皱。取10次测量的平均值，结果如表1所示。

蚕丝膜材是利用并且改变桑蚕吐丝的习性，辅助智能灯光系统加以控制得到的，但主体蚕是自由的，尽管膜材表面蚕丝的分布已经比较均匀，不同区域厚度还是会略有差异，其变异系数（CV值）为6.4%。

2.3 孔隙率

蚕丝膜材的孔隙率反映了其透气性的好坏。一般孔隙率越大，即所含孔隙体积越多，膜材的通透性越好。通过计算得到蚕丝膜材的孔隙率，见表1。从图1（c）的宏观形态及图2（a）的微观图像中可以看出，蚕丝膜材的孔隙大小均匀，分布也比较均匀。

2.4 力学性能

蚕丝纤维由于丝胶的作用黏结在一起形成片状的膜材，黏结点多且均匀，干态下蚕丝膜材的强力相对较高，断裂伸长小，手感偏硬，不易变形。常温下充分浸湿后，蚕丝膜材的手感变软，强力变小，伸长率变大。蚕丝膜材干态与湿态下的应力-应变曲线如图3所示。

2.5 透气性能

蚕丝膜材是以平铺的方式形成的，丝胶之间的黏结力使纤维间相对位置稳定。蚕丝膜材也是自然成型的，虽然可以对其薄厚进行控制，但在同一块蚕丝膜材上，不同的位置薄厚会存在差异，使得透气性能有一定的浮动。将膜材等分为六小份，每一小份取中间部分测得的透气率，经过计算，蚕丝膜材的透气率均值为633 mm/s。本文用同种方法测试了平方米质量为38.4 g/m2的轻薄型半透明384铜氨纤维面膜布，平均透气率为638 mm/s，说明蚕丝膜材的透气性能与厚度相同的铜氨面膜布相当。

2.6 抗菌性能

蚕丝膜材在抗菌性能方面具有更高的潜力[16-18]。从图4、图5的测试结果来看，在三个不同的稀释比例下，蚕丝膜材对大肠杆菌都具有一定的抗菌性，其中在稀释比例为1︰108时，其抗菌效果最好。蚕丝膜材对枯草芽孢杆菌也具有一定的抗菌性，且效果优于同等稀释浓度下的大肠杆菌;在稀释比例为1︰107时，使用蚕丝膜材处理过的枯草芽孢杆菌存活率为71.15%，大肠杆菌的存活率则为79.21%。

3 结 论

本文设计与制作的轻薄型蚕丝膜材生产工艺简单，保留了蚕丝纤维所有的丝胶和其他有益的成分，在成型过程中不需要添加任何化学试剂。经过实验，发现该膜材上蚕丝纤维分布均匀，孔隙分布也很均匀，透气性能良好。丝胶的黏结使得蚕丝膜材具有了一定的强力，形态尺寸稳定性较好，在完全浸湿的状态下，膜材的强力下降，且在外力作用下容易发生形变。抗菌实验表明，蚕丝膜材对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌均具有一定的抗菌性。

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