（纺织化学与染整工程专业论文）天然彩丝的结构和性能研究[纺织化学与染整工程专业优秀论文].pdf

天然彩丝的结构和性能研究 中文摘要 中文摘要 近年来随着人们环保意识的提高，合成染料在生产和应用过程中带来的污染问题 越来越引起人们的关注，在全球性绿色革命浪潮下，天然有色纤维开始为人们所重视。 天然彩棉的成功生产为天然有色纤维的开发奠定了重要基础，其产品已经成为高档的 绿色环保和保健织物。蚕丝是天然纤维中的珍贵品种，天然彩丝织物的开发和应用必 将更加受到人们的关注。 本文通过红外光谱、x 一射线衍射、扫描电镜、热分析和氨基酸分析等测试手段探 讨了天然彩丝的理化性能与普通蚕丝的异同，结果表明，天然彩丝和普通蚕丝的结晶 度有一定差别，而彩丝的表面形态更加光滑。本文还研究了天然彩丝的耐酸耐碱性， 耐氧化剂和还原剂的能力，着重讨论了天然彩丝的耐热性能。 丝胶的存在会直接影响彩丝织物的服用性能，本文研究了不同的脱胶方法对彩丝 织物脱胶后的效果，探讨了精练时间和浴比等因素对丝织物脱胶率的影响，还观测了 不同方法脱胶后丝织物的表面形态和结晶区变化，结果表明，酶脱胶后的丝织物光泽 和手感均较好。 用传统的脱胶方法脱胶后的丝颜色较浅，这是因为彩丝的色素主要存在子丝胶 中，用传统的脱胶方法脱胶后，色素会随着丝胶一起被脱落，本文采用尿素溶液和硫 脲溶液分别对彩丝织物进行蒸化和高温浸渍预处理再进行酶脱胶，通过测定织物的 k s 值，比较彩丝织物的颜色变化，发现经预处理的丝织物颜色较深，说明丝胶中的 色素已部分转移至丝素中。蒸化工艺优于高温浸渍工艺，硫脲的处理效果优于尿素。 在蒸化工艺条件下，经7 m o l l 的硫脲和尿素处理后彩丝织物的k s 值由0 2 3 9 分别上升 至0 7 9 4 和0 4 7 5 。 采用多元羧酸类化合物柠檬酸和聚马来酸d p 6 0 对天然彩丝织物和脱胶的丝织物 进行整理，发现天然彩丝织物经整理后皂洗牢度变化较大。选用金黄色葡萄球菌进行 抗菌试验，发现天然彩丝织物有一定的抗菌性能。在风格仪上对彩丝织物进行风格测 试，发现彩丝织物的柔软性、动态悬垂性和手感均较好。 关键词：天然彩丝理化性能精练尿素硫脲抗菌性风格 作者：姜利利 指导老师：王祥荣教授 s t u d yo nt h es t r u c t u r e a n dp r o p e r t i e so f n a t u r a 1 c o l o rs i l k a b s t r a c t s t u d y o nt h es t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so f n a t u r a lc o l o rs i l k a bs t r a c t t h e s ey e a r s ，a sm o r ea n dm o r ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sa r ec a u s e db yu s i n gs y n t h e t i c d y e si np r o d u c i n ga n da p p l y i n gp r o c e s s ，m a n yp e o p l ep a ym u c ha t t e n t i o nt on a t u r a lc o l o r f i b r e s p r o d u c i n gc o l o rc o t t o ns u c c e s s f u l l yh a sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nd e v e l o p i n g n a t u r a lc o l o rf i b r e s p r o d u c t sm a d eo fn a t u r a lc o l o rc o t t o nh a v eb e e ns l a p - u pa n d h y g i e n i c a lt e x t i l e si nt h e m a r k e t s i l ki st h ec o s t f u lb r e e do fn a t u r a lf i b r e s ，a n dt h e d e v e l o p i n go fn a t u r a lc o l o rs i l kw i l lb ea f f i r m a t i v e l ym o r ew e l c o m e d i nt h i sp a p e r , t h ec a p a b i l i t i e so fn a t u r a lc o l o rs i l ka n dc o m m o ns i l kw e r ec o m p a r e d t h r o u g hs o m et e s tm e t h o d ss u c ha sf t - i r , x - r a yd i f f r a c t i o n ，s e m ，h e a t - a n a l y s i s ，a m i n o a c i da n a l y s i sa n ds oo n t h er e s u l ti st h a tc r y s t a l i n i t yo fn a t u r a lc o l o rs i l ki sl o w e rt h a nt h a t o fc o m m o ns i l kw h i l et h ec r y s t a l i n i t yo fd e g u m m e dc o l o rs i l ki sl o w e rt h a nt h a to f d e g u m m e dc o m m o ns i l kt o o i na d d i t i o n ，t h ea c i dr e s i s t a n c e ，a l k a l ir e s i s t a n c e ，o x i d a t i v e r e s i s t a n c ea n dd e o x i d i z a t i o nr e s i s t a n c eo fn a t u r a lc o l o rs i l kw e r ea l s os t u d i e d t h ep e r f o r m a n c ea n dc r y s t a l i n i t yo fc o l o rs i l kd e g u m m e db yd i f f e r e n tt r a d i t i o n a l m e t h o d sw e r es t u d i e di nt h ee x p e r i m e n t a sar e s u l t ，t h es i l kt e x t i l ed e g u m m e db ye n z y m e h a st h eb e s tl u s t e ra n dh a n d l e t h es i l kt e x t i l eh a sl i g h tc o l o rd e g u m m e db yt r a d i t i o n a l m e t h o d sa st h ep i g m e n tm a i n l ye x i s t si ns e r i c i n ，t h ep i g m e n tw i l lb ed e g u m m e dt o g e t h e r 、析t 1 1t h es e r i c i nt h r o u g ht h et r a d i t i o n a ld e g u m m i n gm e t h o d s i ft h en a t u r a lc o l o rs i l ki sf i r s t t r e a t e db yc a r b a m i d ea n dt h i o c a r b a m i d e ，a n dd e g u m m e db ye n z y m et h e n ，t h et r u t hi st h a t t h et r e a t e ds i l kh a sad a r k e rc o l o rw i t hn oc h a n g e di np e r f o r m a n c e t h el i g h tf a s t n e s sa n ds o a p i n gf a s t n e s so ft h ec o l o rs i l kt e x t i l eh a v eb e e ni m p r o v e dj u s t al i t t l ea f t e rb e i n gf i n i s h e db yc i t r i ca c i da n dd p 6 0 i t sf o u n dt h a tn a t u r a lc o l o rs i l kh a s a n t i m i c r o b i a lp r o p e r t yb yt e s t i n gt h en u m b e ro fs t a p h y 7 l o c o c c u sa u r c u s a n ds o f t n e s s ， p r o p e r t yo fd y n a m i cd r a p ea n dh a n d l eo ft h ec o l o rs i l kt e x t i l ea r ea l lg o o db yt e s t i n gt h e f a b r i cs t y l e s 玎 s t u d yo l lt h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f n a t u r a lc o l o rs i l k a b s t r a c t k e yw o r d s ：n a t u r a lc o l o rs i l k ；p h y s i c o - c h e m i c a lp r o p e r t i e s ；d e g u m m i n g ；c a r b a m i d e ； t h i o c a r b a m i d e ；a n t i m i c r o b i a lp r o p e r t y ；f a b r i cs t y l e 1 1 1 w r i t t e nb yj i a n gl i l i s u p e r v i s e db yp r o f w a n gx i a n g r o n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书 而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 研究生签名：盔型盈1 日期：塑盟：丝 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、 中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大 学学位办办理。 誓篙：避罟 导师签名：垄笙至翌日 期：俐0 z 天然彩丝的结构和性能研究第一章前言 第一章前言 我国是丝绸之乡，远在史前时代，我们的祖先就己从事种蚕、养蚕、取丝、织帛。 在我国最早的文字一甲骨文中，已有“蚕”、“桑”、“丝”、“帛等字样；在 殷商时代( 公元前1 4 - - , 1 l 世纪) 的墓葬中多次发现用玉刻的蚕，距今已有三千多年 的历史了。再从浙江吴兴钱山漾遗址发现的四千七百年前的丝织品残片，以及山西夏 县西阴村新石器时代遗址中发掘的用工具割切的半个蚕茧等这些考古资料来看，不难 知道蚕茧的被发现和利用，还有上溯到更远古的年代。 上古，我国黄河流域及四川蜀地气候温和，土地肥沃，雨量充沛，桑林遍地，树 上有野蚕吐丝结茧，当地人民就知道剥蚕取丝。传说中轩辕黄帝联合炎帝战败蚩尤后， 在庆功会上有蚕神来献丝，黄帝见了这美丽的丝束，黄的像金子，白的像银子，非常 高兴，大加赞赏，就命他的臣子用它来织成绸，这绸又轻又软，比先前的苎麻织物不 知要好多少，就用它来制作衣服，并命他的妻子率众养蚕。 从殷商到西周，据可靠的文字记载，我国的种桑、养蚕、缫丝、织绸、练漂、绘 染等技术都已达到了较高的水平，政府设有专门的官吏来管理奴隶们从事丝绸生产。 至春秋战国，列国都把奖励蚕桑生产视为富国裕民的要策之一。 唐代是我国历史上的昌盛时期，经济繁荣，政治、军事、工业、商业、文化都达 到了空前的高度，丝绸的生产当然更是“章采奇丽 、“神乎其技”，与欧亚各国贸易 频繁。外国商人沿着“丝绸之路”来到东方“丝国 购买丝织品，与此同时，也先后 把养蚕、制丝、织造等技术传至国外。这说明在相当长的时期内，我国的蚕丝技术在 世界上一直处于领先地位。丝绸之路上出土的汉唐文物和故宫博物馆内至今还珍藏着 的宋、元、明、清精美绝伦的丝绸织物，都是历史的见证。 但是，随着帝国主义列强入侵中国，加之西方工业的迅速发展，截至解放前夕， 我国丝绸工业处于落后地位，奄奄一息，濒于破灭的边缘。解放后，人民政府奖励蚕 桑业，蚕茧产量逐步上升，虽几经曲折反复，但目前已超过历史最高水平，居世界产 茧量的首位，古代的“丝绸之路”又焕发了青春的光辉。 真丝纤维，就数量来说，只占全世界纺织纤维的o 2 ，但是它无与伦比的穿着 性能和雍容华贵的风貌是其它纤维所望尘莫及的。它是纺织纤维中的瑰宝，是人类的 宝贵财富和智慧的结晶，我们应该爱护它，培育它，使它发出更灿烂的光辉【7 j 。 1 1 普通蚕丝的结构和性质 蚕丝种类很多。在昆虫的鳞翅目中有许多种类的幼虫都具有吐丝作茧的本领，这 天然彩丝的结构和性能研究 第一章前言 些昆虫总称为绢丝昆虫。它们又分两个科：一是蚕蛾科，一是天蚕蛾科，桑蚕( 亦称 家蚕) 属于前者，人们习惯于把桑蚕以外的一切绢丝昆虫统称为野蚕，据称其中约有 3 0 余种能被利用。世界上目前正在用作纺织工业原料的主要是桑蚕丝，柞蚕丝以及 小部分琥珀蚕丝( 以上可缫长丝) 和蓖麻、木茹蚕丝( 仅能做绢纺原料) ，都称为真 丝。 蚕丝纤维是一种天然蛋白质纤维，是由蚕儿吐丝结茧，再由蚕茧缫制而成。经加 工后的蚕丝晶莹光润、轻盈柔软，有很好的吸湿性和较好的强伸度，是理想的高级纺 织原料，具有优良的服用性能。 蚕丝主要由丝素和丝胶二种蛋白质组成，丝素在内( 约占蚕丝总量的7 0 8 0 ) ，丝胶包覆在外( 约占蚕丝总量的2 0 - - - 2 5 ) ，此外还有一些非蛋白质成分如脂 肪物质、碳水化合物、色素和矿物质等。蚕丝含9 7 蛋白质，由十八种氨基酸组成。 其中：侧链带亲水性基团的有：丝氨酸、赖氨酸、天门冬氨酸、谷( 麸) 氨酸、酥( 苏) 氨酸、组氨酸、精氨酸；侧链带稍亲水基团的有：酪氨酸、色氢酸、脯氢酸：侧链带 疏水基团的有：乙( 甘) 氨酸、丙氢酸、缬氨酸、亮( 白) 氨酸、异亮( 白) 氨酸、苯丙氨 酸、蛋氨酸和胱氨酸。蚕丝蛋白的长链上有诸多亲水基团和稍亲水基团，所以使它具 有很好的吸湿性能，这是合成纤维所不及的。 组成蚕丝蛋白质纤维的基本结构是氨基酸( a m i n oa c i d ) ，天然蛋白质中的氨基 酸主要有1 8 种，其共同特点是q 一氨基酸。 h 2 n 一旷c o o h i r a - 氨基酸结构示意图 丝素与丝胶皆由q 氨基酸组成，但丝素结构比丝胶更为复杂。它是由不同的a 一 氨基酸以肽键连接而成的纤维巨分子。其结构中，有的部分结合紧密，称作结晶部分， 约占丝素总量的4 0 - 6 0 ；另一部分为无定形或称非结晶部分，这部分结构疏松，支 链上的活泼基团较多，这些基团易与化学药剂及染料等起反应，利用它的这些特性， 借以进行染色和化学整理。 蚕儿在吐丝时，同时吐出两根丝，由丝胶粘合为一根茧丝，丝胶在营茧时起粘合 作用，使许多排列整齐的茧丝粘合起来儿形成茧层。在显微镜下观察，蚕丝为两根平 行的丝纤维构成，横截面为带圆角的钝三角形。一般在茧外层的丝比较圆钝，到内层 2 天然彩丝的结构和性能研究 第一章前言 渐趋扁平。一根茧丝，其内部两根丝素纤维紧连，而外部由丝胶包覆。茧丝的般组 成是：丝素占3 0 8 0 ，丝胶占2 0 - 3 0 ，蜡质物、无机物、色素等占2 3 。丝胶含量 的4 5 - 4 9 在蚕茧最外层，越接近内层，丝胶含量越少。 丝胶为层状结构，是蚕丝表面的胶状水溶性蛋白质，丝胶与丝素相比，虽然氨基 酸组成相似，但含量差异很大。在丝胶中，以侧链带亲水性基团的氨基酸( 如丝氨酸、 天门冬氨酸) 含量最高，但在丝素中却以侧链含非极性疏水性基团的氨基酸( 如甘氨 酸、丙氨酸) 为最高。故丝胶比丝素在水中溶解要容易得多，而丝素比丝胶结晶度、 微晶取向度、强度等要大得多。 根据丝胶在水中溶解速度等的差别，它在茧丝的外围呈如下图的层状分布。由外 层到内层依次为丝胶i 、丝胶i i 、丝胶i 、丝胶。丝胶i 的溶解性能最好，对缫丝 有利，在精练时通过碱液预处理就能去除。丝胶i i 、丝胶、丝胶的溶解性能渐差， 愈接近丝素的丝胶层( 丝胶n ) 愈难溶解。丝胶的存在使纤维的手感粗糙【9 】。 图1 - 1 蚕丝纤维的结构 丝素蛋白以反平行折叠链构象( 1 3 - s h e e t ) 为基础，形成直径大约为1 0 r i m 的微 纤维，无数微纤维密切结合组成直径大约为l u m 的细纤维，大约1 0 0 根细纤维沿长轴 排列构成直径大约为1 0 u m 1 8 u m 的单纤维。丝素蛋白的聚集态结构被认为由结晶态 和无定形态两大部分组成。 蛋白质分子中含有氨基和羧基，另外侧链上还含有许多酸、碱性基团，因而蛋白 质具有既像酸又像碱一样的性能，是典型的两性高分子电解质，可进行下列反应： 天然彩丝的结构和性能研究第一章前言 一h + - h + h 3 n 弋c o o h 写= i 兰h 2 n + p c o o 一；兰亍苎h 2 c o o - + h 十4 1 + h + l h 2 m c 0 0 h 式中p 表示多肽链。由此可明显看出，这三种状态之间的关系是由溶液的h + 决定的。调节p h 值，使蛋白质分子的正、负离子数目相等，此时溶液的p h 值即为该 蛋白质的等电点( i s o e l e c t r i cp o i n t ) 。桑蚕丝的等电点为3 5 5 2 ，当蛋白质溶 液处于等电点时，蛋白质的溶胀、溶解度、渗透压、电泳及电导率等都最低i s 。 蚕丝纤维耐酸不耐碱，对碱的作用比较敏感，其中以苛性钠( n a o h ) 的作用最为强 烈。丝胶不溶于酒精、乙醚、丙酮、苯等有机溶剂，但能与甲醛起作用，使丝胶分子 上的氨基与羧基之间形成亚甲基桥键而产生固化作用。 天然纤维都有不同程度的带电性，在干燥状态( 指没有含湿的情况) 下，丝绸是优 良的绝缘材料，但在自然条件下，因它的吸湿性能高，所以带电性很小，或者可以说 基本不带电。相比之下，台成纤维制织的绸( 尤其是涤纶纤维) 其带电性要高得多，织 物带电容易吸附灰尘及细菌，对人体皮肤卫生不利，同时，因织物相互摩擦产生静电， 造成二层织物相吸，引起穿着的麻烦，至于这带电现象是否对人体健康有害，目前尚 无定论。但在易燃、易爆环境以及洁净要求高的环境中是不允许穿着易产生静电的服 装的。 蚕丝纤维具有较好的隔音、保暖、吸、放湿性能以及吸收有害气体等许多优良性 能。这是由于丝素从大分子排列到堆砌组合成纤维之间，由多级微观结构组成，因此 在每根丝纤维中存在着许多级集合体结构，也就存在着几埃到几千埃的不同尺寸的缝 隙和孔洞，形成了蚕丝纤维的多孔性和舒适性。纤维愈细，则微细空隙愈多。 生丝热传导率小，对保温有利，虽然在夏季穿着不利于传热，但由于它含湿率高， 放湿快，有利于散热。丝素蛋白由于具有多孔性及较高的吸水回潮率，因此透气性好， 光滑柔软、手感好、穿着舒适。天然丝还具有较好的抗紫外线辐射能力，这是因为丝 蛋白纤维中的色氨酸、酪氨酸能吸收过量的紫外线，有效地防止紫外线辐射。 1 2 天然彩丝及其研究现状 随着经济的发展和生活水平的提高，人们对纺织面料的生态卫生要求越来越高。 世界各国纷纷出台一系列生态纺织品的标准，对纺织品加工中有害物质的使用和残留 量进行严格的限制，以避免纺织品中残留化学品对人们身体健康带来的危害。人们更 4 天然彩丝的结构和性能矽f 究第一章前言 趋向于选用天然纤维织物作为服装和家纺面料。另一方面，纺织品印染加工过程消耗 大量的水资源并产生大量的工业废水，对水环境的污染十分严重，已经成为影响纺织 工业可持续发展的主要因素。在这种情况下，科研工作者把研究的方向放在彩色纤维 方面，前几年，天然彩棉的出现受到广泛的欢迎和认可，天然彩色织物可以避免织物 加工处理过程各种化学残留物对人体的危害。同时，由于织物不需要染色，可以避免 印染加工对水资源的大量消耗和造成的水污染，这是纺织领域的一场“绿色革命 。 近年来，有关专家利用保存和收集的全世界的天然彩色茧基因，选育出多个产 量超过白茧平均水平、茧色比较稳定的天然彩色茧家蚕品种，克服了家蚕天然彩色茧 丝生产的难题，并研究解决了彩色茧丝n i 技术，实现家蚕天然彩色丝生产。为丝绸 行业的可持续发展提供了广阔的前景。发展天然彩丝产品可提高丝绸产品档次，克服 绿色贸易壁垒，对提高真丝产品的市场竞争能力，具有非常重要的意义。在回归自然、 注重环保、崇尚绿色和追求个性化的今天，这种“绿色面料的需求将不断增加。在 其他工业部分如化妆品、食品、保健品等方面，彩丝蛋白的性能都有很好的发展前景。 天然彩丝除了具有普通蚕丝的一系列优良性能外，最突出的优点就是具有天然彩 色，目前比较普遍的是黄色，也有人在研究彩色茧以期得到其他颜色的彩丝，其中有 些颜色是目前染色工艺无法模拟的色彩。天然彩色茧色彩丰富，有绿色、红色等，还 可开发出多样化产品，适应社会多元化和个性化发展的需求。除此之外，天然彩丝在 遗传和生产特性及产品品质方面有天然彩棉无法比拟的优势。彩色蚕丝的遗传受主基 因控制，使彩色茧生产品种的特性能够固定下来，给育种和生产创造了良好条件l i 。 另外，彩色蚕丝还具有分解自由基的活性，生物在生命活动中，特别是在不良环 境中，会不断产生多种活性氧自由基，如超氧阴离子自由基、单线态氧、过氧化氢、 羟自由基等，这些生物自由基氧化能力强，能破坏生物的许多功能分子，对机体产生 毒害。蚕丝具有分解自由基的活性，彩色蚕丝分解自由基的能力远高于白色蚕丝，而 棉花则没有这种功能。将彩色蚕丝制成内衣，或者制成化妆品，有很好的护肤养颜作 用，同时彩色茧的天然色素代替化妆品使用的化学色素，更能体现其色泽的高雅，适 应追求绿色、健康产品的高档化妆品消费市场需求1 5 】。 1 3 本课题研究的目的和意义 由于化学染料对人体和环境的危害，以及国际上对生态纺织品的需求量大大提 高，天然彩色纤维越来越受到人们的欢迎和企盼。天然彩丝具有天然、生态环保、保 健等优点，为了使天然彩丝更好地造福于人类，开发出更多更好天然彩丝产品，必须 天然彩丝的结构和性能研究第一章前言 研究其自身的性能和深加工技术。由于人们对天然彩丝的一些性能还处于未知状态， 开发利用天然彩丝过程中有待攻关的技术难点也较多，另外，天然彩丝的大规模生产 还需要一定的时间。因此近1 - 2 年内可能难以形成规模较大产业化的生产，但随着天 然彩丝产量的扩大，研究工作的开展和技术难点的攻关，将使产品的品种和生产量得 到提高。本项目研究符合国际社会生态、环保、资源利用、可持续发展等科学发展理 念，具有十分广阔的前景，并可取得良好的社会效益和经济效益。 生产家蚕天然彩色茧、丝、绸，可减少环境污染、促进人类健康，具有较好的商 业前景。另外，在天然彩色茧丝的推广地区可使蚕农增加收益，对巩固和提升作为纤 维皇后的地位，解决蚕区的“三农”问题，加快社会主义新农村建设步伐有着十分重 要的战略意义。 本课题将系统研究天然彩丝的结构和性能，湿、热、化学试剂等对天然彩丝的稳 定性影响，以及天然彩丝的精练和增色技术，本研究将给出各种化学因素对天然彩丝 性能影响的数据，为天然彩丝的进一步研究提供理论依据。本课题主要研究以下几个 方面的内容： ( 1 ) 彩丝纤维的结构和理化性能。本实验通过傅立叶红外、x 一射线衍射、扫描 电镜等测试方法表征了彩丝纤维的微细结构，还研究了彩丝纤维的耐酸、耐碱、耐氧 化剂和还原剂的能力，及在高温烘燥条件下彩丝纤维的耐热性能。 ( 2 ) 精练方法的研究。本实验采用了传统的精练方法对彩丝进行精练，并讨论 了精练过程中精练剂的浓度、精练时间、浴比等因素对彩丝脱胶率的影响。还比较了 各种精练方法对彩丝织物颜色保留率的影响，重点探讨了彩丝经尿素和硫脲预处理后 的颜色保留率情况，对工艺进行优化，获得了让彩丝织物有较高颜色保留率的较好工 艺。 ( 3 ) 彩丝织物的其它性能。本课题还将研究天然彩丝织物的牢度问题，以及天 然彩丝织物的抗菌性能和服用性能，综合反应彩丝织物的外观、穿着舒适性及美感， 为提高织物的服用性能提供基础性研究。 6 天然彩丝的结构和性能研究 第一章前言 参考文献 1 周宏湘真丝绸染整新技术 m 北京：中国纺织出版社1 9 9 7 2 刘永成邵正中等蚕丝蛋白的结构和功能 j 高分子通报1 9 9 8 ( 3 ) ：1 7 2 2 3 王建南裔洪根彩色茧的茧丝质研究 j 北方蚕业2 0 0 4 ( 1 ) ：1 7 一1 8 4 徐世清王建南等天然彩色茧丝资源及其开发利用( 1 ) j 丝 绸2 0 0 3 ( 1 ) ：4 2 4 3 5 徐世清王建南等天然彩色茧丝资源及其开发利用( 2 ) j 丝 绸2 0 0 3 ( 2 ) ：4 3 - 4 6 6 常德城左葆齐等柞蚕丝蛋白粉的制备及性能测试分析 j 丝 绸2 0 0 2 ( 8 ) ：4 0 - 4 3 7 杨丹真丝绸染整 m 北京：纺织工业出版社1 9 9 2 8 王建南陈宇岳等a n a l y s i s o nt h ee l a s t i c i t yo fd i f f e r e n t i a l t u s s a h m u l b e r r ye l a s t i cs i l kt e x t i l ea s i a 2 0 0 1 ( 1 1 ) 9 蔡再生纤维化学与物理 m 北京：中国纺织出版社2 2 6 , - - - 2 3 2 1 0 王菊生孙铠染整工艺原理第一册 m 北京：中国纺织出版社9 1 , - 一1 0 6 11 罗玉功国内外彩色茧研究现状 j 北方蚕业2 0 0 4 ( 3 ) ：1 4 1 6 7 天然彩丝的结构和性能研究第二章天然彩丝的结构分析和理化性能研究 第二章天然彩丝的结构分析和理化1 生能研究 科学工作者对普通蚕丝的性能已经研究得非常彻底，在蚕丝的基础上对彩丝进行 研究，不但可以借鉴蚕丝的许多研究方法，还可进一步发现彩丝优于蚕丝的各种性能。 本文将通过傅立叶红外、x 一射线衍射、扫描电镜等方法表征彩丝纤维的结构，还 将研究天然彩丝的耐酸、耐碱性、以及其对氧化剂和还原剂的稳定性，及天然彩丝的 热稳定性。 2 1 实验 2 1 1 实验材料 织物：未脱胶天然彩丝针织物，未脱胶天然彩丝，未脱胶普通蚕丝，脱胶彩丝 药品：硫酸、磷酸、盐酸、醋酸、柠檬酸、碳酸钠、氢氧化钠、次氯酸钠( 均为 分析纯) ；保险粉( 化学纯) ；2 7 0 9 碱性蛋白酶、马赛皂、平平加o ( 工业品) 2 1 2 主要实验仪器 数显恒温水浴锅h h - 6 ( 常州国华电器有限公司) y g 0 2 0 a 型电子单纱强力机( 常州市第二纺织机械厂) i n s t r o n 材料试验机( 美国因斯特朗集团) x p e r t - p r om p d 型x 射线衍射仪( 荷兰帕纳科公司) s - 5 7 0 型扫描电子显微镜( 日本日立公司) n i c o l e t 5 7 0 0 型红外光谱仪( 美国热电公司) d i a m o n dt g d t a5 7 0 0 型d t a - t g 热分析仪( 美国p e r k i ne l m e r 公司) l - 8 8 0 0 全自动高速氨基酸分析仪( 日本日立公司) 2 1 3 实验方法 2 1 3 1 酸处理 取一定量的彩丝，于室温下置于不同酸液中，分析不同种类的酸对丝纤维的溶解 情况。另取一定量的彩丝分别在0 5 、l m o l l 的h c i 溶液中于2 0 6 0 c 浸渍3 0 m i n ，分析 h c l 溶液的浓度和温度对丝纤维强力的影响。 2 1 3 2 碱处理 取一定量的彩丝分别在0 0 2 、0 i m o l l 的n a 。c o 。、n a o h 溶液中于4 0 、6 0 。c 浸渍 3 0 m i n ，分析碱的种类、浓度及温度对丝纤维强力的影响。 2 1 3 3 氧化剂处理 取一定量的彩丝分别在1 0 、2 0 、3 0 的h 。0 2 溶液中于室温浸渍3 0 m i n ，分析h ：0 2 8 天然彩丝的结构和性能研究第二章天然彩丝的结构分析和理化性能研究 的浓度对丝纤维强力的影响。 取一定量的彩丝分别在4 、8 、1 2 、1 6 、2 0 9 l 的n a c i o 溶液中于室温浸渍3 0 m i n ， 分析n a c l o 溶液的浓度对丝纤维强力的影响。 2 1 3 4 还原剂处理 取一定量的彩丝分别在2 、4 、6 、8 、l o g l 的n a ：s ：0 。溶液中于室温浸渍3 0 m i n ，分 析n a 。s 。0 溶液的浓度对丝纤维强力的影响。 2 1 3 5 热处理 取一定量的彩丝于1 5 0 连续烘燥l o h 、2 0 h 、3 0 h 、4 0 h 、5 0 h 、6 0 h ，分析烘燥时间 对丝纤维强力、结晶度和表面形态的影响。 2 1 4 测试方法 2 1 4 1 回潮率的测定 分别取2 9 左右的天然彩丝针织物和脱胶彩丝织物，按g b t 9 9 9 5 1 9 9 7 标准测试样 品的回潮率。 2 1 4 2 丝纤维的力学性能测试 采用y g 0 2 0 a 型电子单纱强力机对纤维进行强力测试，测试条件为工作长度1 5 0 m m ， 拉伸速度i 5 0 m m m i n ，环境温度2 0 ，相对湿度6 5 7 0 。 2 1 4 3x 衍射测试 采用x p e r t - p r om p d 型x 射线衍射仪对纤维进行测试，测试条件为管电压4 0 k v ， 管电流3 0 m a ，扫描速度2 ( 。) m i n ，扫描范围5 。- 4 5 。 2 1 4 4 扫描电镜测试 采用s - 5 7 0 型扫描电子显微镜对纤维进行测试，测试条件：分辨率3 5 n m ，加速电 压1 2 k v ，温度2 0 ，相对湿度6 5 ，样品镀金处理后置于电镜下观察。 2 1 4 5 红外光谱测试 将所测样品剪成粉末，采用k b r 压片，在n i c o l e t 5 7 0 0 型红外光谱仪上测试，分辨 率为4 c m 一，测试范围为4 0 0 0 4 0 0 c m 一。 2 1 4 6 热重分析 在d i a m o n dt g d t a5 7 0 0 型d t a t g 热分析仪( 美国p e r k i ne l m e r 公司) 上进行测 定，测试条件：氮气气氛，氮气流量：5 0 m l m i n ，升温速度：1 0 m i n ，温度范围： 5 0 - 6 0 0 9 天然彩丝的结构和性能研究 第二章天然彩丝的结构分析和理化性能研究 2 1 4 。7 氨基酸分析 在日立l - 8 8 0 0 高速氨基酸分析仪上对彩丝纤维进行测定，由浙江丝绸科学研究 院提供的检测报告。 2 2 实验结果与讨论 2 2 1 彩丝与蚕丝回潮率的比较 蚕丝纤维含有亲水性较强的活性基团，因而具有较高的回潮性能，在标准状况下， 它的回潮率约在1 0 左右，其中丝胶吸湿作用较大，在相对湿度6 5 时，丝胶回潮率 为1 0 6 5 ，丝素回潮率为9 9 。本实验测试了彩丝纤维脱胶前后的回潮率( 彩丝脱胶 率为2 4 7 6 ) ，并与脱胶蚕丝的回潮率进行了比较，结果如表2 - 1 。 表2 - 1 彩丝和蚕丝的回潮率比较 如表2 一l 所示，彩丝也具有较高的回潮率，未脱胶彩丝的回潮率高于脱胶彩丝， 说明彩丝的丝胶吸湿作用较大，但彩丝的丝素吸湿作用不及普通蚕丝的丝素。 2 2 2 彩丝与蚕丝单纤维强力的测定 使用i n s t r o n 材料试验机测定纤维的单丝强力。分别测量天然彩丝和已经精练过 的彩丝( 练减率为2 4 7 6 ) ，普通蚕丝和已经精练过的蚕丝( 练减率为2 3 1 0 ) 的机 械强力，结果如表2 - 2 。 测量时，纤维材料先平衡4 8 d , 时，然后各n 6 0 组数据，取其平均值并计算出标准 方差。测量时拉升强力位移l o m m m i n ，室温2 5 的条件下。 表2 2 天然彩丝和普通蚕丝的单纤维机械强力比较 如表2 2 所示，通过比较6 0 组数据，分析彩丝和蚕丝纤维的最大载荷和最大拉升 位移，发现普通蚕丝的最大载荷和位移都比彩丝的要大得多。 为了更直观地比较彩丝与蚕丝的单纤维强力，在图2 - 1 、2 - 2 、2 - 3 、2 - 4 中给出了 6 0 次测试的彩丝与蚕丝的最大拉升位移和最大载荷比较。 1 0 天然彩丝的结构和性能研究 第二章天然彩丝的结构分析和理化性能研究 o 1 02 03 04 0 5 06 07 0 试样编号 图2 - 1 脱胶彩丝和脱胶蚕丝纤维的最大拉升位移比较 o 图2 - 2 4 3 5 3 2 5 量 2 搀l - 5 蓑1 嚼o 5 0 试样编号 脱胶彩丝和脱胶蚕丝纤维的最大载荷移比较 0l o2 0 3 04 05 06 0 试样编号 图2 3 未脱胶彩丝和未脱胶蚕丝纤维的最大拉升位移比较 5 4 5 3 5 2 5 l 5 o 4 3 2 l o 暮v搀牮k峰 6 4 2 l 8 6 4 2 o 1 l l 0 0 d o z v 榷繇k 嚼 天然彩丝的结构和性能研究第二章天然彩丝的结构分析和理化性能研究 2 5 2 1 5 z v 1 椽 蓑o 。5 啦 o - 一彩丝载荷 1ii 一蚕丝载荷 ：”v v 归肌肿 t 叭。- 沁小。尘tl 氐吣。f - “、 o1 02 03 04 05 06 07 0 试样编号 图2 - 4 未脱胶彩丝和未脱胶蚕丝纤维的最大载荷比较 从图2 1 、2 2 、2 3 、2 4 和表2 - 2 中可看出天然彩丝的最大载荷和最大拉升强力 都不及普通白丝。天然彩丝的最大载荷在0 5 n 左右，因为彩丝的细度要比白丝小得多。 2 2 3 彩丝与蚕丝的红外光谱分析 为了表征彩丝和蚕丝的结构异同，对其进行了红外光谱测试，如图2 - 5 所示。 4 0 a 脱胶蚕丝b 脱胶彩丝 图2 - 5 脱胶蚕丝和脱胶彩丝的红外光谱图 如图2 - 5 ，脱胶蚕丝和脱胶彩丝的红外光谱图较为相似，均在3 4 3 0c m - 左右谱带 区域产生明显单峰，属于典型的蛋白质n h 伸缩振动特征的吸收峰，并且在酰胺i 、i i 、 i 处( 分别对应- 1 6 5 0c m - 1 、- 1 5 3 0c i i i - 。、- 1 2 4 0c m - ) 都有特征吸收峰。脱胶蚕丝和 1 2 96一qg西pp h g c 四k 一 天然彩丝的结构和性能研究第二章天然彩丝的结构分析和理化性能研究 脱胶彩丝在1 6 3 5a m l 处均有c = c 吸收峰，且1 5 3 9a m 1 处也有吸收峰，说明脱胶后的丝 为b 折叠结构。 2 2 4 彩丝与蚕丝的电镜分析 为了观测彩丝和蚕丝的表面形态，对彩丝和蚕丝脱胶前后的形貌拍摄了s e m 照 片，如图2 - 6 。 。 一 j i j； j ! ； !： 二 薯譬?“j ?! ； ! j， l ： 。 ? ： j ! i ； ：i ， 。r 。 ；i ； ： j ； + jj jj i ! f j ： i j ? ，、 蔓 ： j j ；、 ： ； ，i 、 ； f ， 、 、 1 夏翌至霪鐾誊薹薹囱瞪：翌三i ：蒌j 羔羔二薹王受薹：一：一一一童一j j 普通蚕丝脱胶后的蚕丝天然彩丝脱胶后的彩丝 图2 - 6 蚕丝和彩丝脱胶前后的s f _ m 照片 如图2 - 6 ，未脱胶丝的丝纤维径向图有相互粘连现象，而脱胶后的丝表面较为光 滑，排列较为规整，直径也有所变小。而脱胶彩丝较脱胶蚕丝表面更加光洁，说明脱 胶后的彩丝大分子排列更加规整。 2 2 5 彩丝与蚕丝的x 一射线衍射曲线 丝胶具有一定的粘着性和较大的吸湿性，而丝素则是一种半结晶的高分子，其结 晶部分由沿丝纤维长轴方向排列的反平行折叠链构成，图2 - 7 通过x 一射线衍射曲线比 较了蚕丝和彩丝脱胶前后的结晶度变化。 天然彩丝的结构和性能研究 第二章天然彩丝的结构分析和理化性能研究 瑙 嘿 磉 浆 螂 想 擦 浆 2o ( o )2e ( o ) a - 普通蚕丝b _ 脱胶后的蚕丝c - 天然彩丝d 一脱胶后的彩丝 图2 - 7 蚕丝和彩丝脱胶前后的x 一射线衍射曲线 如图2 - 7 ，彩丝和蚕丝脱胶前后均在2 0 5 。附近出现x 射线衍射主峰，这是具有较 高取向的b 型结构丝素的特征峰。用p e a k f i t 软件计算脱胶蚕丝和脱胶彩丝的结晶度 分别为4 2 8 ，4 2 3 ，即脱胶彩丝和脱胶蚕丝的结晶度相差不大，说明彩丝纤维的无 定形区与结晶区的比例和蚕丝较为接近。 2 2 6 彩丝与蚕丝的氨基酸分析 蚕丝作为一种天然蛋白质，其中的丝素蛋白是由一条长链和一条短链所构成的亚 单位结构，长链主要由甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸等组成，短链含有较多疏松残基的氨 基酸n 朝。彩丝也是一种蛋白质纤维，其中的氨基酸组成尚未有过报道，为了更好地将 彩丝的各种性能加以应用，对彩丝的氨基酸组成进行了检测，并与蚕丝的氨基酸组成 进行了比较，结果如表2 - 3 所示。 1 4 加加伸 暑；砌加寻砌 天然彩丝的结构和性能研究第二章天然彩丝的结构分析和理化性能研究 表2 - 3 蚕丝和彩丝脱胶前后的氨基酸组成百分含量( ) 成分未脱胶彩丝脱胶彩丝 脱胶蚕丝 天冬( a s p ) 5 7 0 2 5 12 6 5 苏( t h r ) 2 8 7 1 2 21 2 1 丝( s e r ) 1 5 4 21 1 4 5 9 1 2 谷( g l u ) 2 8 32 0 7 2 2 4 甘( g l y ) 2 9 。6 9 3 5 1 13 6 。8 4 丙( a l a ) 2 4 。6 l 3 0 5 83 0 5 4 胱( c y s ) 0 1 3 0 0 0o 5 8 缬( v a l ) 2 5 42 。5 12 8 6 甲硫( m e t ) o 1 50 1 40 1l 异亮0 l e ) o 9 20 ，9 60 8 7 亮( l e l 0 0 6 6o 5 20 7 5 酪( t y r ) 8 9 09 3 91 1 8 0 苯丙( p h e ) 1 0 01 0 51 5 6 赖( l y s ) 0 9 90 4 00 5 1 氨( n h 3 ) 0 6 3o 3 9o 3 6 组( h i s ) o 6 1 o 3 5o 4 5 精( a r g ) 1 7 9o 8 51 0 4 脯( p r o ) 0 5 40 5 1o 8 2 据文献介绍，桑蚕丝素中，侧基简单的甘氨酸、丙氨酸含量最高，其次为丝氨酸、 酪氨酸，这4 种氨基酸占总量的8 0 以上，再依次为侧基较为复杂的缬氨酸、天门冬 氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、精氨酸及其它含量更低的氨基酸【】。 如表2 - 3 所示，天然彩丝和脱胶彩丝也主要由甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸和酪氨酸组成。 短侧链氨基酸含量越高，丝的结晶度越高。脱胶蚕丝中甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸的含 量和为7 6 5 0 9 6 ，而脱胶彩丝中这三种氨基酸含量和为7 7 1 4 ，这与x 射线衍射测试 结果相符，即脱胶彩丝的结晶度与普通蚕丝较为接近。 从表2 3 还可看出，未脱胶彩丝的丝氨酸和天门冬氨酸含量明显高于脱胶彩丝和 蚕丝，而丝氨酸有降低血液中胆固醇的作用，若多用丝胶和丝素食品，可预防高血压， 同时可促进胰岛素的分泌，降低血糖值，从而对糖尿病有防治作用；天门冬氨酸对肝 天然彩丝的结构和性能研究 第二章天然彩丝的结构分析和理化性能研究 和心肌有保护作用，可治疗心绞痛，对心肌梗塞等有防治效果。1 1 3 】 2 2 7 彩丝与蚕丝的热分析 为了表征纤维的耐热性能，测试彩丝和蚕丝脱胶前后样品的失重率随温度的变化 曲线，如图2 - 8 所示。 t e m p e r a t u r e ( )t e m p