（纺织工程专业论文）煮茧中吐水机理及其主要影响因素研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

煮茧中吐水机理及其主要影响因素研究 摘要 摘要 煮茧是丝绸生产中缫丝前的一个主要工艺流程，是关系到蚕茧解舒率，提高生 丝质量的一个重要工序。但目前部分地区采用不煮茧直接缫丝的方法，本文首先 就此查阅大量文献，通过理论分析和实地调查得出煮茧是必要的结论。煮茧一般 需经过渗透、煮熟和调整三个过程，吐水是煮熟阶段一个外界可见现象，它的逆 渗透作用对于煮熟内层、保护外层有着重要的意义，但目前对于吐水是如何发生 的，吐水跟茧腔内温度之间的关系，主要影响因素是什么，研究较少。 本文首先在实验室条件下模拟出蒸煮环境，进而引入虚拟仪器的概念构建出一 套能够在线同步测量蒸煮过程中茧子重量、内部温度的测试系统。利用该测试系 统测得的结果，辅以其他相关试验，结合物理学知识，最终对吐水的发生机理给 出解释。进一步以此为理论依据，提出了茧腔内温度是影响吐水的主要因素的观 点，论述了原本变形的瘪茧在煮茧过程中恢复、煮茧过程中产生瘪茧的原因。其 次，改进了煮茧茧腔内外温度测试装置，并在工厂对吐水量与茧腔内温度进行了 实地测量，结果证明，对于吐水机理及其主要影响因素的论述是符合实际情况的。 最后，通过分析茧腔内温度与吐水量的差异的原因，指出孔管、盲管闸阀开启转 数将影响茧腔内温度的高低和吐水量的大小以及使用盲管对于实际生产的重要意 义。 关键词：煮茧吐水机理虚拟仪器茧腔内温度吐水量温度重量同步测量 作者：徐帅 指导老师：陈庆官 a b s t r a c t c o c o o ns t e a m i n gp r o c e s si sp r i m a r yi m p o r t a n ti ns i l k - r e e l i n gp r o c e s s ，w h i c hc o n c e m s t h eq u a l i t yo fr a ws i l ka n dt h er e l i a b i l i t y b u tn o wi ns o m ea r e at h es t e a m i n g p r o c e s sw a s o m i t t e d ，a n dt h i sp a p e rf i r s tp r o v e dt h a tc o c o o ns t e a m i n gp r o c e s sw a sn e c e s s a r yb y e x c e r p t i n gl o t so ft h e s e s ，a n dt h ec o n c l u s i o ni sn o to n l yi nt h e o r yb u ta l s of r o mf i e l d s u r v e y c o c o o ns t e a m i n gp r o c e s su s u a l l yh a st h r e ec o u r s e s ：v a c u u mi n f i l t r a t i o n , s t e a m i n g a n da d j u s t i n g a n di n f i l t r a t i n g o u t w a t e rp r o c e s si sav i s i b l ep h e n o m e n o ni ns t e a m i n g ， w h o s ei n f i l t r a t i o na c t i o ni sv a l u a b l et os t e a m i n gt h ei n n e rl a y e ro fc o c o o n h o w e v e r a t p r e s e n t , w h yt h ew a t e ri si n f i l t r a t e do u ta n dh o wi ti sr e l a t e dt ot h ec o c o o i l s ，i n t e r i o r t e m p e r a t u r ea n di t sm a i ni n f l u e n c i n gf a c t o ra r ef e wr e s e a r c h e d f i r s t ，as i m u l a t i o no ft h ei n f i l t r a t i n g - o u t w a t e rp r o c e s so fc y c l eo n c e s t e a m i n gc o c o o n m a c h i n e sw a sp e r f o r m e du n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s t h e nt h e c o n c e p to fv i r t u a l i n s t r u m e n t sw a si n t r o d u c e dt om a k eu pat e s ts y s t e m ，w i t hw h i c ht h ei n t e r i o rt e m p e r a t u r e o fc o c o o na n dt h ew e i g h to ft h ec o c o o n sw e r em e a s u r e ds y n c h r o n o u s l ya n dc o n f i n u o u s l v w i t ht h et e s tr e s u l ta n do t h e r e x p e r i m e n t s ，c o m b i n e dw i t hp h y s i c sk n o w l e d g e ，t h e m e c h a n i s mo fw a t e ri n f i l t r a t i n go u to fc o c o o nw a s f o u n d b a s i n go nt h em e c h a n i s m t h e v i e w p o i n t c o c o o n si n t e r i o r t e m p e r a t u r e i st h em a i n i n f l u e n c i n g f a c t o ro f i n f i l t r a t i n g 。o u t 。w a t e rp r o c e s sw a sg o t ，t h er e a s o n sh o wt h ec o c o o n st h a th a db e e np r e s s e d r e c o v e r e da n dh o wt h ec o c o o n sw a s p r e s s e dw a sg i v eo u t s e c o n d ，m e a s u r e m e n ti nf a c t o r y w a sp r e f e r r e d ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h ev i e w p o i n tb e f o r ew a s e x a c t f i n a l l y , b ya n a l y z i n g t h ec o c o o n si n t e r i o rt e m p e r a t u r ea n dt h ed i f f e r e n c eo fv o l u m eo ft h ew a t e r i n f i l 仃a t e do u to f c o c o o n ，i ti si n d i c a t e dt h a tt h er e v o l u t i o no ft h et u b ea n dt h eb l i n dt u b ee f - f e c tt l l e c o c o o n7 si n t e r i o rt e m p e r a t u r ea n dt h ev o l u m eo ft h ew a t e r i tw a s s i g n i f i c a n tf o rf a c t o r y i fu s i n gt h e s ee q u i p m e n t s k e y w o r d ：s t e a mc o c o o n ，m e c h a n i s mo f w a t e r i n f i l t r a t i n go u to fc o c o o n ，v i r t u a l i n s t r u m e n t s ，i n t e r i o rt e m p e r a t u r eo fc o c o o n ，v o l u m eo ft h ew a t e ri n f i l t r a t e do u to f c o c o o n ，t e m p e r a t u r e w e i g h ts y n c h r o n o u sa n dc o n t i n u o u sm e a s u r e m e n t j i w r i t t e nb yx us h u a i s u p e r v i s e db yc h e nq i n g g u a n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 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：叠金堑虫 日期：2 墨：至： 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j 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。 研究生签名： 导师签名： 茧中吐水机理及其主要影响因素研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 丝绸，一直在纺织品家族中独占鳌头，被誉为“纤维皇后。它性能优越，是 符合时代发展的“绿色环保天然纤维 ，其穿着舒适性、卫生保健功能是其他纤维 所无法替代的f 。近几年风靡流行的蚕丝被，就因其天然环保、卫生保健的优点倍 受市场青睐。而丝绸服装因具有高雅华贵，舒适飘逸的特点而为世界各国人民所 喜爱，长期以来是我国出口创汇的主要产品之一。新中国成立后，特别是改革开 放以来，茧丝绸业蓬勃发展，取得了令人瞩目的成就，是入世后我国能垄断或主 导国际市场的极少数优势产业之一【2 】。据统计，近几年我国生丝和坯绸产量分别占 世界产量的7 0 和4 5 以上，生丝和坯绸出口量分别占国际市场贸易量的8 0 和 6 0 。可以说，目前我国丝绸在国际上还处于垄断地位，但此地位主要依靠的是 数量优势，实际上在价格、质量等方面我国很大程度上受制于外商。一方面受丝 绸先进生产设备，流行多变的消费时尚，以及消费领域的延伸等因素影响，高质 量、高品位的茧丝需求量不断增加，而我国现今的生丝质量还难以满足要求。另 一方面，进入9 0 年代中期，茧丝绸行业的各种问题日见突出，生产效益和出口赢 利不断下降，从1 9 9 4 年起丝绸全行业出现亏损。丝绸工业发展上遇到了前所未有 的困境，其主要原因是【3 】： ( 1 ) 国际丝绸市场贸易疲软； ( 2 ) 原料生产供需严重失调，供大于求，丝、茧价格倒挂； ( 3 ) 品质下降，丝价下跌； ( 4 ) 产品结构单一，自身品质存在问题； ( 5 ) 技术装备与科技投入不够。 丝绸工业要走出困境，迎接挑战，一方面必须要依靠技术进步，要应用高新技 术，改变丝绸工业传统的劳动密集型生产方式，使其向技术密集型过渡；另一方 面则需要踏踏实实做好基础研究，从根本上提高生丝产品的质量和档次。要提高 生丝产品的质量和档次，就要做到提高原料茧质量和狠抓制丝工艺管理并重。一而 提高工艺管理水平，就不得不提及制丝作业的一道重要的前道工序煮茧。 l 茧中吐水机理及其主要影响因素研究 第一章绪论 1 2 煮茧的必要性 我国的丝绸业历史悠久，而煮茧一直是缫丝前的一道重要的传统工序。江苏 省志蚕桑丝绸志载“古代煮茧设备极其简陋，缫丝时先将蚕茧放在盛有水的 铁锅内，锅下以薪燃之，使茧膨润软化，溶解丝胶，尔后抽丝。锅内温度以细 泡微滚为宜。 随着时代的发展，进入近现代以后，从清末民初江苏引进意大利 直缫式坐缫机开始，到1 9 8 5 年无锡、南通分别从日本引进新增泽式超压v 型煮茧 机。几乎每一次丝绸整体行业的大规模的技术提升，都与煮茧设备的引进改进、 煮茧技术的提高密不可分【4 1 。当然，煮茧一直以来都是缫丝前的一道工序这一事实， 并不能充分说明煮茧工序就一定是必须的，还需从科学的角度和实际生产的经验 来对之进行论证。 1 2 1 煮茧与解舒的关系 茧丝是由两根单丝平行粘合而成。每根单丝的中间为丝素纤维，外围为丝胶。 蚕在吐丝结茧时，之所以能依次做成茧层而紧密不乱，是由于茧丝外围的丝胶把 它顺次胶着；另外，由于受到烘茧和贮茧等的影响，茧丝胶着更紧。茧丝的胶着 力和茧丝的强力是一对矛盾的两个方面。缫丝工作要能正常进行，就需要解决好 这个矛盾。研究认为解舒不良，一方面是由于丝胶分子聚集结构密实，茧丝胶着 抵抗大，另一方面也是由于丝素分子聚集结构疏松，茧丝湿润强度小。对解舒来 说，这两种不利因素同时存在，所以解舒的闯题，不仅是丝胶的问题，也是丝素 的问题【5 1 。但在实际生产中，由于原料茧的性质在缫丝生产时很难改变，而丝胶的 澎润溶解等较易调节，故而一般还是从后者入手，通过设计合适的煮茧工艺，来 减少并稳定胶着力，以图改善、提高蚕茧的解舒性能。 茧丝的胶着力与茧层结构和茧层的胶着状态有密切的关系。茧层丝缕结构即胶 着点序变化规律，是影响落绪的因素之一。茧层丝缕结构及胶着顺序，是由蚕儿 吐丝运动规律决定的。蚕吐丝时的运动大致如下：沿着茧纵幅方向，有规律地作 茧头部至腰部的往复移动和尾部至腰部的往复运动，吐出形似“s ”或“8 字”的 丝缕。蚕的这种营茧规律导致在缫丝离解茧丝时，茧在水中连续地进行头尾翻滚 运动。这种翻动，随着丝缕之间胶着密集度和不匀率增大而增加，其引起的附加 2 茧中吐水机理及其主要影响因素研究 第一章绪论 惯性力，是导致落绪的一个重要原因。测试结果表明，随着煮茧时间的多少，附 加惯性力明显不同。随着煮茧时间增加，惯性力下降，落绪亦减少。 虽然茧丝的平均强力远大于茧丝的胶着力和解舒张力，但由于茧丝中存在异常 胶着点( 胶着力超过正常值) 和异常茧丝( 茧丝强力远小于平均茧丝强力) ，还是 会有落绪发生。如图卜1 所示，通过煮茧，可以使解舒张力大大减小，而且胶着 力均匀化。 叹 崔 弩 t 蓝丝长度 图1 - 1 煮茧前后茧解舒张力曲线 1 一煮茧前2 一煮茧后 1 2 2 丝胶的溶解特性 丝胶存在于茧丝的外围，它是一种蛋白质，因其性状与动物胶相似，故称为丝 胶，它对丝素起着保护和胶粘作用，它与制丝工程的关系十分密切。一般情况下， 丝素在水中只能膨润而不溶解，但丝胶却能在热水中溶解。这是丝胶最重要的性 质，也是能用水来煮茧、缫丝的根据。丝胶能在水中溶解，跟其特殊的组成、结 构分不开。在桑蚕丝胶中，具有亲水的极性侧基的氨基酸多达8 0 ，且就其物质 结构而言，丝胶分子的排列不如丝素那样紧密，分子间的互相作用的力较小，这 使得水分子能较易渗入丝胶并使其溶解【5 】。 丝胶的溶解参照近代胶体化学对高分子物质溶解过程的认识，可被认为大体经 历如下两个阶段：第一阶段，丝胶分子表面的亲水基团和水分子发生水化作用， 丝胶的吸水量由丝胶表面亲水基团的多少决定。水化作用是放热的。这一阶段丝 胶分子间的一部分氢键断裂，同时发生了膨润。第二阶段，升高温度，膨润继续 进行，此时由于水分子的热运动动能增加，故大量水分子进入茧层丝胶中，并继 茧中吐水机理及其主要影响因素研究第一章绪论 续破坏丝胶分子间的氢键，直至全部破坏，丝胶分子就能分散到水中而形成均匀 的丝胶溶液。这样，通过无限膨润最后达到了溶解【6 】。 通过以上说明，可以看出，温度对于丝胶的溶解非常重要。丝胶的溶解性受温 度的影响很大，如图卜2 所示，一方面茧层丝胶的溶解量随温度的升高增加，而 在同一温度下则随时间的延长而增加；另一方面，温度在7 0 以下时，丝胶的溶 解量很小，至9 0 以上时则急剧上升。因而，从有效、迅速膨润溶解部分丝胶以 利缫丝的角度讲，温度达到一定程度，且持续一定时间的煮茧是必要的。 1 6 x 涵j 2 装 ：鞋口 蝥6 斜 磷4 日i o 温度( ) 图1 - 2 温度与茧层丝胶溶解量的关系 1 2 3 实际生产中煮茧的重要作用 缫丝实践证明，合理的煮茧能有效降低中内层的落绪，提高内层利用率，并提 高生丝的洁净成绩。内层落绪多的主要原因，跟茧层的结构联系紧密：茧层是丝 缕按“s ”和“8 ”字形通过无数胶着点互相胶着而成，它呈多孔性、多层次的网 状结构。丝缕成“8 字形的，重叠胶着点多，胶着力大，丝条离解比较困难，容 易产生落绪；丝缕排列成“s ”字形的，重叠胶着点少，胶着面狭，离解的抵抗力 小，丝缕容易离解。由于蚕儿上蔟结茧时的环境、茧丝干燥以及蚕几自身营茧规 律等因素的影响，茧的内层“8 字形丝缕增多，重叠胶着点多，胶着力也强，这 样就造成：1 内层落绪的概率大大增加了，工厂的实缫解舒数据显示，内层落绪 的数量，远远大于中外层的，而中外层大都是“s 胶着的丝缕；2 由于内层的“8 字形丝缕小而重叠多，如图3 ( a ) 所示，设茧丝的微小区段内有6 个胶着点，假 4 茧中吐水机理及其主要影响因素研究第一章绪论 设煮茧时3 、6 两胶着点未能打开，缫丝时也就难于离解，易引起如图3 ( b ) 的情 况，即形成环颓【7 1 。而在评价生丝的洁净成绩的各种小额中，环颓的数量又占了极 大部分，因此减少环颏，是提高生丝洁净成绩的关键。减少环频主要是使胶着点 的丝胶充分膨润、软化和适当溶解，并使各胶着点的胶着力的不匀程度减小到最 低限度。为此，煮得偏生的茧子比煮得适熟的茧子易产生环额；煮得偏生的茧子 较适熟的茧子缫制的生丝的洁净成绩差【8 】。现行的主要煮茧方法都是在单蒸循环式 煮茧机上采用高温蒸汽煮茧，通过蒸煮室内的吐水作用以及调整部的再吸入热水 来煮熟内层，所以，不但要煮茧，而且要将茧子煮的适熟；不但要煮熟外层，更 要注重中内层的煮熟。 ( b ) 6 图i - 3 环颏的形成示意图 此外，目前实际进行的不煮茧直接缫丝实践，往往采用提高索绪锅内汤温进行 变相的补偿煮熟的方法。在煮茧的情况下，索绪温度的高低、时间的长短等直接 影响到丝胶溶失的多少、丝故障的多少、索绪效率的高低、绪丝量的多少、清洁 成绩的高低等。尽管煮茧是适煮，但由于索绪的温度、时间等没掌握好，出现丝 胶溶失增大，绪丝增多，出丝率下降，丝故障增加，清洁成绩下降等弊病【9 1 。在不 煮茧的情况下，这种方法将更易对缫丝生产产生不利的影响：1 索绪锅内水本就 动荡剧烈，为丝胶溶解提供了极好条件，此时水温若再过高，根据丝胶溶解曲线 可知，此种情况下如遇解舒差的茧子，无绪茧被反复索绪，停留在索绪锅内次数 多，时间长，致使茧层丝胶溶解过度，茧丝离解胶着力大大降低，再加上内层落 绪多，薄皮茧被反复回索，造成内层茧丝崩溃，形成低清洁、低洁净丝片f 1 0 】。2 进入索绪锅的有新茧有旧茧，它们对温度的要求不同，理想的做法是根据煮熟度 严格控制温差，根据需要严格控温，一味采取高温，将造成丝胶溶失不均、洁净 成绩下斛1 1 】。 茧中吐水机理及其主要影响因素研究 第一章绪论 1 2 4 目前不煮茧的生产实践及相关研究 目前，浙江、广西等地丝厂采用真空渗透而不煮茧的方法进行缫丝作业，由于 相关数据掌握有限，笔者不敢妄加断言孰优孰劣。李继珍、尹毅在真空渗透茧 直接用于自动缫丝的探讨与实践一文中认为，部分原料茧茧层薄，茧丝纤度粗， 皱缩疏松，茧层间隙大，茧丝间的胶着面少，丝胶容易膨润和溶解，抗煮力弱， 茧的解舒率高，在无煮茧前处理的情况下，经真空渗透后，可以用于直接缫丝； 绝大部分原料茧经真空渗透后，若直接用于自动缫丝，有诸如索理绪困难、解舒 率下降、清洁净度降低、缫丝缫折增大的缺点【1 2 1 。陕西省安康缫丝厂不煮茧缫丝 试验研究小组著文认为，茧层较薄、解舒较好的茧子，采用真空温水渗透不经煮 茧可直接进行缫丝，此工艺特别适用于自动缫丝用茧；但对茧层较厚、解舒较差 的茧子，则有待于进一步试验和研究。其突出点在于采用温水( 4 0 - - 5 0 ) 而 非常温水进行渗透【1 3 】。吕小林在无煮茧自动缫丝新工艺技术研究一文中指出， 从改变传统煮茧工序着手，根据丝胶在高温触蒸中只能膨润、不会溶解的理论， 将高温触蒸后的茧经一定时间触蒸平衡后，再经采用低温真空渗透即可用于自动 缫丝，且降低了万米吊糙次数，提高了生丝洁净成绩，降低了生丝生产单位成本。 其方法的特别之处在于，煮茧前采用了高温触蒸工艺。此外，其试验中所用茧庄 口均为江西宁都县，不具普遍性，且文章最后也指出，这种高温触蒸无煮茧的自 动缫丝工艺只适用于解舒率在5 0 以上的茧子【1 4 】。此外，曹唐伟等人著文认为， 通过煮茧，丝胶膨润，生丝表面的水膜黏性系数增大，生丝密度变小，因而将使 得生丝平均纤度变小【1 5 】。总之，目前文献反映的无煮茧工艺，一方面对茧子的质 量要求高，一般要求其解舒要在5 0 以上；另一方面采用其他工艺，比如高温触 蒸工艺、在索绪锅内煮茧等，来替代煮茧以实现丝胶的膨润、软化和适当溶解， 使其利于缫丝。 1 2 5 煮茧是必要的 就目前某些厂家实际进行的无煮茧操作来看，大都采用在索绪锅内用高温水 变相煮茧的方法，实际上并没有完全摈弃煮茧这个过程。比如广西某厂，通过测 6 茧中吐水机理及其主要影响因素研究第一章绪论 量发现其索绪锅里温度达到9 2 以上。而正如上文所提及的，索绪汤温过高，将 对生产造成不利影响。一般来讲，渗透不能代替煮茧，虽然茧层和茧腔通过真空 渗透后含有足够的水份，但是茧层和丝胶并未膨软，丝缕并未离解，所以不能缫 丝，还需通过机内热处理工艺进行煮熟、调整保护，使丝胶充分膨软，丝缕充分 离解以满足缫丝的要求，从而达到煮茧的目的【1 6 1 。总之，真空渗透后直接煮茧的 方法兴起较迟，研究较少，有待于进一步研究其实际效益及实际生产中的可行性。 理论上，丝胶溶解性随温度变化这一科学依据，以及实际生产中，煮茧可以使解 舒张力大大减小，使胶着力均匀化的事实，还有不煮茧直接缫丝带来的不利影响 等因素，都使得煮茧在制丝工程中仍是必不可少的一道重要工序。 1 3 煮茧简述 1 - 3 1 煮茧的目的和要求 煮茧的通行定义是：利用水、热或助剂，作用一定时间后将茧丝外围丝胶适 当膨润溶解，减弱丝胶粒子间的结合，使其胶着力降低，改善胶着不匀，使缫丝 时茧丝能连续顺次离解，并集束抱合成束丝的过程。制丝的原料是干茧，干茧的 茧丝间相互胶着，由于胶着力极不均匀，不利于索取丝头，而且无法集束抱合成 生丝，而通过煮茧，可以解决这些问题。另一方面，原料茧不仅形状有大小，茧 层有厚薄，丝胶的含量和溶解度等有差异，茧丝的额节也有多少，这增加了煮熟 均匀的难度。所以，除要减小茧丝胶着力外，还必须达到下列煮茧要求： ( 1 ) 缫丝中茧的解舒良好，索理绪效率高，缫丝中落绪茧少； ( 2 ) 煮熟程度适当均匀，以减少颏节，提高净度，增强抱合，同时使生丝的色 泽、手触良好； ( 3 ) 防止产生瘪茧和减少产生丝条故障的棉条颓和蛹吊； ( 4 ) 为减小缫折，特别要减少煮茧缫丝中的绪丝、汤茧、蛹衣量和丝胶溶失量； ( 5 ) 煮熟茧的浮沉要适应缫丝的要求。 除以上的要求外，还有以下几个具体问题值得提出：第一，煮茧本质上主要是 煮茧层丝胶，而不是煮蚕蛹，而且要尽量减少蛹酸的浸出，以利于提高茧的解舒 和生丝的质量f 7 1 。第二，煮茧主要是使茧层丝胶适当膨化软祀不能溶解过度。如 7 茧中吐水机理及其主要影响因素研究第一章绪论 溶解过度，茧丝间胶着力小于0 2 克时，就会使茧层崩溃，茧丝离解时缺乏必要 的阻力，以致达不到丝缕顺序离解的目的，额节增多，生产效果不佳【l7 1 。第三， 中内层煮熟要充分。由于蚕茧内层的胶着点远远多于外层，而内层又是最不容易 煮熟的，因此煮茧时要注意中内层，特别是内层的煮熟适当，要避免外层熟，中 内层不熟，要尽量使外中内层均匀煮熟，三层的解舒抵抗力应尽可能趋于一致。 中内层的煮熟适当，关键是要掌握好茧腔内温度；掌握好茧腔内温度，关键就在 控制好水的吐放，控制好蒸煮部水吐出速度的快慢和水量的多少，以及调整部吸 入水的温度。对于茧腔内温度的测量，吐水机理的研究，以及它们二者与煮茧质 量的关系及其二者之间相互关系的探讨研究，将是本文的一个重点。 1 3 2 以水为切入点对于煮茧原理的另一种阐述 从工艺角度来说，渗透、煮熟和调整是完成煮茧的三个过程。基于这三个过程， 煮茧的原理大致可描述为：由于茧层先天具有抗润性，因而利用渗透来使其吸水， 并给予茧层丝胶膨润所必要的水分；煮熟过程提供热量以膨润丝胶，并通过吐水 实现逆渗透作用，使中内层丝胶也得到充分热量并膨润；调整则既有均衡补充煮 熟、膨润丝胶的作用，又有调节浮沉、收敛丝胶的作用。值得说明的是，渗透、 煮熟和调整这三者之间，既有特殊功能，又相辅相成和互相制约，在针对煮茧的 研究和实际运用中，均应全面的理解和把握。 煮茧的水、热、时间是煮茧的三大要素。这三大要素中，水是煮茧的载体，贯 穿始终。以水为主要切入点，可以更加明了的对整个煮茧过程描述如下：煮茧前 渗透的主要功能是吸水，此时的水是低温水，吸入低温水的目的是使茧的外中内 层湿润，使水充满茧层间的空隙，给予茧层丝胶膨润所必要的水分，为丝胶膨润 创造条件。蒸煮部进行煮熟作用时，一方面丝胶在水和热的共同作用下发生膨润， 另一方面，茧子内部的水被加热，温度升高，进而吐出，这一过程被称为逆渗透。 逆渗透可以进一步充分煮熟膨润茧层丝胶，同时将水吐出，为接下来调整部的吸 水打下基础。在调整部入口，茧子再次吸水，此时水温较高，一方面可以使茧层 丝胶进一步膨润和适当的溶解，使其均匀煮熟，吸入的较高温度的水还能起到煮 熟内层的作用：另一方面，调整部较高的水温，可以使茧腔内部压强下降速度放 茧中吐水机理及其主要影响因素研究 第一章绪论 缓，使得吸水过程比较和缓，不至产生瘪茧。然后水的温度逐步降低，以收敛丝 胶，充分吸水。在整个煮茧过程中，茧子经历了吸水一吐水一再吸水的过程，茧 层中的水一进一出再进达三次，使得各层丝胶充分膨润溶解。 1 3 3 煮茧现行的一般方法及煮茧设备 1 3 3 1 煮茧现行的一般方法 目前煮茧方法依据渗透方法的不同大致可分为：温差渗透煮茧法、真空渗透煮 茧法，此外还有一种v 型加压煮茧法。 温差渗透是利用温度瞬时变化而造成压力的变化来实现的：当茧子由高温渗透 部快速跌入低温部时，其温差引起茧腔内外压力差( 外高内低) 的产生，在这种压 差的作用下，把水压入茧腔，通过茧腔吸水的形式来实现茧层吸水的目的。温差 渗透根据加热的方法又可分为热汤渗透法、蒸汽渗透法和干热渗透法等。蒸汽渗 透法是用高温蒸汽加热茧子，以使空气排出，并吸入水蒸汽，再将茧子很快投入 低温汤中，实现吸水。在这种方法中，由于高温蒸汽能量大，置换作用强，因而 茧腔吸水充分，渗透效果好，茧层渗润良好，内外煮熟比较均匀，而且煮茧丝胶 溶失较少，汤茧少，环额离解充分，糙丝、裂丝少，有利于提高净度和强伸度成 绩，因此使用较广。热汤渗透是早期的煮茧工艺，这种方法渗透效果差，茧外层 损伤多，内层不易煮熟，丝胶溶失多，目前这种工艺大都仅在实验室做试验研究 时用。干热渗透法是用红外线辐射作为热源来加热茧子，此后也仍然是迅速将茧 移入低温汤以实现吸水。由于其对设备安全性要求较高，使用维护不当易导致安 全事故，故该法在实际使用中较少。 目前，为了适应自动缫的生产需要，普遍流行的是真空渗透煮茧法。真空渗透 法是在较低的温度条件下，采用物理方法，把茧腔内空气抽出，使茧腔成为真空 状态，将这种状态的茧子置于水中，然后放气加压，利用压差使茧腔吸水，从而 达到茧层渗透的目的。实际生产中，真空渗透的运行方法有干抽法和湿抽法两种。 干抽法即在第一次抽气过程中茧处在干燥状态，待抽至目的真空度时才开始进水 的抽气方法；湿抽法就是一开始抽气随即伴随进水的抽气方法。由于干抽法茧层 干燥，通气性好，在真空环境中茧腔易于出气，故茧渗透效果好，吸水量多；而 9 茧中吐水机理及其主要影响因素研究 第一章绪论 湿抽法茧外围被水包围，茧层外表形成一层水膜，水层有一定压力致使茧腔出气 较难，使茧腔内气压的变化滞后于茧腔外气压的变化且茧腔内气压较大于茧腔外 的压力，所以即使采用与干抽法相同的真空度，其蚕茧吸水量也较少，因此，干 抽法用于自动缫较为适宜，茧子易沉，湿抽法用于立缫则较合适。总之，采用真 空渗透法，茧腔吸水温度低、蛹酸浸出少、有利于减少内层落绪、做薄蛹衬，且 丝胶溶失少、绪丝量也减少：易于做小缫折。另外真空渗透茧腔吸水量大、渗透 充分、茧易沉、吊糙少，非常适应自动缫生产。由于渗透在机外进行，煮茧机结 构大大简化，煮茧能力明显提高。 v 型加压煮茧法是日本常用的煮茧方法，主要通过特定的v 型加压煮茧机来实 现。v 型加压煮茧机最大的特点是调整段为一v 型槽，该v 型槽可以拉大调整部区 段的温差，最大温差可达5 0 左右，工艺可调范围增大，原料适应性更强，强化 了调整的作用，对调整煮熟程度、煮熟均匀程度、防止瘪茧等都具有良好的效果。 v 型加压煮茧机目前己被我国引进，但由于成本和管理方面的原因，加上我国与日 本的原料、市场环境方面的差异，使得其目前还基本未被使用。 温差渗透、真空渗透在使用中各有优劣，温差渗透由于吸水温度高，茧层吸水 较充分，煮茧中丝胶容易膨润，能充分降低和均衡茧丝胶着力，利于提高解舒、 净度和抱合成绩，对茧层厚、胶着力强、净度较低的原料比较适应，特别适合与 立缫生产。真空渗透具有吸水温度低，吸水量大的特点，煮茧过程中蛹酸浸出少， 有利于减少内层落绪次数，减少蛹衬量，丝胶溶失少，尤其万米吊糙少，对提高 生产率，降低缫折极为有利，特别适应于自动缫生产【l 引。因为目前绝大多数丝厂 都是自动缫，所以总体来讲，目前国内占主导地位的煮茧方法是真空渗透煮茧法， 本文关于渗透部分的相关研究也是针对真空渗透的方法。 1 3 3 2 煮茧设备 目前制丝厂使用的煮茧设备主要是循环式煮茧机，它可以同时作为温差渗透法 和真空渗透法的煮茧机使用。其主要结构型式如图卜4 所示，整机分上下两槽， 多个区段，通过链条传动，茧笼沿着上下槽依次经过浸渍段、预热段、高温渗透 段、低温渗透段、蒸煮段、调整段和出口保护段，完成煮茧全过程。 1 0 茧中吐水机理及其主要影响因素研究 第一章绪论 乓= 三：三圣；嘉一l 。害兰兰釜嬉筚；态 暖 1 | 口、巧烂曼：鎏甾 n p - , ll【盟 盥盟 | j 盥 盟 1 r i -丌- 一一 田d 蚨，亡卅絮老垂r 渔谲僻沮抓 图1 - 4 循环式蒸汽煮茧机主要结构型式 真空渗透煮茧机结构如图1 - 5 所示，它大体可分两个部分：真空渗透部分和循 环式煮茧机。真空渗透部分用以进行真空渗透，循环式煮茧机进行煮熟。现行的 一般煮茧方法为将茧子经真空渗透后直接加入煮茧机进行热处理，免去了机内的 上槽浸渍和高低温渗透，具体工艺流程为：真空渗透一煮熟一调整一保护。 图1 - 5 循环式蒸汽煮茧机主要结构型式 卜真空渗透桶2 一放气闸3 一吸水管4 一过滤管5 一真空泵 6 一备用真空泵7 一气水分离桶8 一翻茧斗9 卷扬机1 0 - 吸水池 11 - 清水管1 2 - 煮茧机1 3 - 放茧斗1 4 - 平茧槽 1 4 国内外对于煮茧温度的测量及相关研究 煮茧的水、热、时间是煮茧的三大要素，这里的“热”应该理解为热量。由物 茧中吐水机理及其主要影响因素研究 第一章绪论 理学知识可知，温度和热量是两个概念，温度高，所含热量并不一定就多，这还 跟物体的比热容以及质量有关。另一方面，给予的热量多，也并不一定就能使温 度上升的快，比如水，在达到沸腾时，- 温度将保持不变。此外，在加热效果方面， 水蒸汽要强于同等条件下的水，这是因为水由气态转为液态的液化过程要放出热 量。当然，对于煮茧来说，在各方面条件相当的情况下，温度还主要是用来衡量 “热”这一煮茧要素的标准，但要注意，对于温度的测得，一定要使其尽可能反 应出茧子的受热情况。 1 4 1 国内外对于煮茧机内温度的测量及相关研究 目前工厂在实际生产中的测温一般都集中在对煮茧机内部温度的测量，且一般 都采用定点测温的方法，即在在煮茧机的不同部位安置温度计，一般八只来进行 测量。此种方法操作简单、读数方便，在实际生产中被广泛应用。但这种方法测 得结果受温度计安装位置的影响较大，不能连续测量整个工艺过程中的每点温度， 造成生产中茧子实际受热温度与检测温度有差异，不利于科学的管理和煮茧质量 的提高。针对此，一些用于连续测量机内温度的装置被研发出来，并且取得了一 定的应用效果。日本的高林千幸利用a d 5 9 0 传感器进行测量，用单片机进行控制 以读取和存储数据，再利用计算机读出数据，实现对煮茧机内温度的连续测量； 其传感器、单片机、电池盒等均密封在一个盒子里以实现防水隔温。国内近年来 也研制了很具实用价值的连续测温装置，其主体框架仍由传感器和单片机构成。 传感器主要采用美国d a l l s 半导体公司推出的d s l 8 2 0 和d s l 8 8 2 0 单线数字温 度传感器，该温度传感器具有测温准确、体积小巧且只需一根线就能和外部进行 通讯的优点；单片机则主要采用p i c 单片机型c 5 1 单片机。其中较早且较典型的 有苏州大学的陈庆官和他的研究生薛武共同研究开发的测温装置，完成了对煮茧 机内温度的连续测量。随后，苏州大学的研究生韩文花和她的导师以及王建民老 师等研究开发的煮茧机多路温度遥测系统中采用多个d s l 8 2 0 作为测温端，用 p i c l 6 c 7 1 1 单片机实现对温度数据的先存储再经无线发射模块发射，从而实现对 温度数据的连续、多次测量。此外，南京航空航天大学的秦冬林采用c u 5 0 热电阻 作为传感器，无线单片机n r f 2 4 e 1 作为控制器和无线发射模块，也成功的实现了 1 2 茧中吐水机理及其主要影响因素研究第一章绪论 对于煮茧机内温度的连续在线测量【1 9 彩】。总体来讲，目前对于煮茧机内温度及煮 茧汤温度，已经能够实现比较准确的自动化连续测量。但是，大多数这种测量还 集中在对蚕茧外部环境温度亦即煮茧机内温度和煮茧汤温度的测量，而煮茧工程 中，还需关注茧腔内温度的大小。 1 4 2 国内外对于茧腔内温度的测量及相关研究 茧腔内温度的测量不同于煮茧机内温度的测量，它的主要技术难点是茧腔体积 小，这就要求用于测温的传感器也要足够小，否则一方面可能根本难以置入茧腔， 另一方面会因在置入传感器时破坏了茧层，造成漏气漏水，从而影响测得结果的 准确性。所以，对于茧腔内温度测量所选用的传感器最好为热电偶。七八十年代， 日本煮茧研究人员采用铜一康铜热电偶为测量工具，把该热电偶置入茧腔内，其他 装置不放入煮茧机内，用很长的热电偶补偿导线保证热电偶测温探头跟着煮茧机 的茧笼走，从而实现对煮茧全过程茧腔内温度的实时测量。在国内，九十年代初， 苏州大学的许逊、谢瑞娟和费万春通过将铜一康铜热电偶置入茧子中部，配合三笔 式温度电压台式记录仪，实现了对茧腔内外温度的测量。此外，他们还测量了循 环式煮茧机和v 型煮茧机两种不同机型的茧腔内温度，通过分析它们之间的温度 差异，结合缫丝成绩，提出了相应观点，这可说是茧腔内温度被用于工艺分析的 一个实例【2 4 1 。 热电偶测温的一个最主要问题就是冷端补偿的问题，而煮茧机内温度并不恒 定，使得这一问题更加复杂化。随着科学技术的发展，出现了专门用于冷端补偿 的芯片，成功解决了变动温度下热电偶的准确测温。苏州大学的罗斯杰、林枫、 陈庆官研制了基于m a x 6 6 7 4 的煮茧机温度测量系统。该系统采用m a x i m 公司的 k 型热电偶专用冷端补偿芯片m a x i m 6 6 7 4 ，用p i c 系列单片机实现对其温度的读 取和保存，配合使用可轻易置入茧腔的k 型热电偶实现对茧腔内温度的测量。对 于茧腔外温度，则采用d s l8 8 2 0 测量，同样用p i c 系列单片机进行控制与存储。 整个测温装置采用防水隔热的封装，可以放入煮茧笼实现跟踪测量：测量完毕后 再通过r s 2 3 2 口将数据读出，这样就成功的实现了煮茧茧腔内外温度的测量。， 茧中吐水机理及其主要影响因素研究 第一章绪论 1 5 吐水过程对于煮茧的重要意义及相关研究 吐水作为一个将内部水排出茧子的逆渗透过程，是煮熟阶段的一个外界可见现 象，对于蚕茧煮熟有着非凡的意义。对于真空渗透一循环式单蒸煮茧机煮茧，一般 来讲，吐水太少，吐出水颜色淡，则意味着煮茧过生，整个茧子吸收的热量较小， 内部温度没有上去，这就造成茧子外观粗糙、弹力较强、绪丝不易引出、内层煮 熟不够而落绪较多的缺点。而吐水太多，吐出水色黄而深，轻则引起煮茧过熟； 吐水太快太多，严重时将导致蚕茧在蒸煮室内被干蒸，严重影响煮茧质量。适当 的吐水，既使茧内外层煮熟均匀，又为调整部的再度吸水创造条件，以最大限度 发挥调整部的调整作用。 在日本，吐水被认为是煮茧的一个重要工艺参数，得到广泛关注和较深入的研 究。对于吐水的测量，日本的清水大浦曾将电磁流量计安装在吐水管上，再利用 r s 2 3 2 口将其与电脑相连，并编写相应程序，从而实现对吐水量的全天候测量。 在对吐水的研究方面，日本的胜野盛夫通过测量不同工厂的吐水量分布，指出吐 水量与茧、茧层吸水倍率呈高度相关，并探讨了吐水量与缫丝成绩的关系【2 5 1 。然 而对于吐水是如何发生的，吐水的影响因素有哪些则研究较少。在国内，见于文 献的专门对于吐水的测量与研究的论文更少。 事实上，吐水的测量看似简单，用容器直接在设定时间承接由吐水管吐出的水 再计量就可以，但要做到准确却并不容易。在工厂实地测量吐水的难点： 1 ) 经由吐水管流出的水温度很高，这为实际的测量操作带来难度，甚至会引 发安全事故； 2 ) 测量误差较大。误差较大又由如下原因造成： 桶量不恒定。因为是人工添茧，这种误差总是存在，尤其是不同的添茧工 来添茧时，将引起的较大误差； 空笼缺笼的影响。煮茧机缺笼，添茧工添茧时有空笼现象，再加上设定的 测量时间不合适，将导致很大的误差； 原料茧的影响。原料茧茧形差异太大，混选茧工艺设计不合理，也能导致 不可忽视的误差； 煮茧机的影响。煮茧机运转不稳定，蒸煮室水头压变化较大、气密性不好， 1 4 茧中吐水机理及其主要影响因素研究 第一章绪论 以及吐水口未及时清理被毛丝堵住等因素，也是带来误差的原因； 3 ) 流量计成本太高。使用流量计可以精确测量，但其成本较高。 1 6 本论文研究目的与主要内容 煮茧的目的简单来说就是解胶着，目前多数丝厂采用渗透、煮熟和调整三个过 程实现这一目的。吐水是煮熟阶段一个外界可见现象，它的逆渗透作用对于煮熟 内层、保护外层有着重要的意义。但是目前，对于吐水是如何发生的，吐水与茧 腔内温度有什么关系，以及吐水受哪些因素影响，什么样的吐水对于煮茧是合适 的，研究相对较少。这一方面固然跟业界内不够重视吐水这一过程有关，另一方 面也受实验方法的制约：一是茧腔内温度在以往难以测量，二是吐水量的实地测 量难度大、误差大。本论文针对此，采用电炉加热铝制蒸锅的方法模拟蒸煮环境， 利用n i 公司的热电偶测温模块n 1 9 2 1 1 ，以及基于l a b v i e w 的测温称重系统对吐 水过程中茧腔内温度、茧子重量进行在线同步测量，得出了相应的曲线，并在此 基础上结合其他实验和相关理论，对于吐水的成因及机理予以解释，探讨了茧腔 内温度与吐水的关系。此外还广泛的实地测量了工厂实际煮茧过程中的茧腔内温 度情况以及吐水情况，对实验室的结果进行了印证，并研究了孔盲管对于煮茧的 重要意义。 本文的章节组成如下： 第一章首先论述了煮茧的必要性，接着介绍了煮茧的相关知识，并以水为切入 点对于煮茧原理的进行了另一种阐述。最后，这一章介绍了国内外对于茧腔内温 度的研究现状以及吐水对于煮茧的意义和研究现状，并简述了研究方法与研究的 主要内容。 第二章引入了虚拟仪器的概念，着重介绍了测温称重系统的硬件、软件设计。 硬件部分介绍了蒸煮环境的模拟，称重传感器、测温传感器的工作原理、相应的 配套电路和正确使用方法，以及称重显示控制器和测温模块。软件部分则讨论了 基于l a b v i e w 的测重部分软件、测温部分软件和总体程序的设计。 第三章首先分析了使茧腔吸水的真空渗透过程，通过试验指出瘪茧在真空渗透 过程中不能恢复原形状；接着进行了刺破茧放水的试验，揭示了水流出茧层的条 茧中吐水机理及其主要影响因素研究 第一苹绪论 件；最后结合观察结果与温度一重量曲线，引入相关物理概念，对吐水机理提出 了解释，指出了原本变形的瘪茧是如何在煮茧过程中恢复的，煮茧过程中瘪茧又 是如何产生的，并分析了影响吐水的因素以及吐水对于生产的重要意义。 第四章通过工厂实地的对l t - , 钡, l j 试及结果分析，印证了对于吐水机理的解释。而 工厂条件下茧腔内外测温装置的改进、吐水量测量的注意点和方法也在这一章得 到说明。此外，还阐述了孔盲管对于煮茧的作用。 第五章对全文进行了总结，论述了本文的贡献、不足之处以及进一步研究方向。 1 6 煮茧中吐水机理及其主要影响因素研究 第二章测温称重系统 第二章测温称重系统 2 1 循环式煮茧机蒸煮部的结构及实际使用情况 目前国内一般采用触蒸的方式煮茧，即用孔管喷射，直接发生蒸汽进行煮茧， 这种方式相对于汤蒸，有温度控制容易调节，温度高( 可以升到1 0