茧丝超微结构研究新进展

编者按：中国是世界上最早养蚕、缫丝、并进行织造的国家，桑蚕丝的起源甚至可以追溯到新石器时代。时至今日，我国仍是蚕业和丝织业大国，但随着世界市场需求的变化和新型纤维的竞争加剧，以科技力量推动产品改造、拓展应用领域已成为茧丝绸行业发展的必经之路。本期丝绸专题在收集整理丝绸行业处在前沿的技术与研究课题的基础上，着重强调了目前较为热门的原料改性和后整理改性技术，以使读者能够把握丝绸产品目前的发展方向。 　　蚕 　　家蚕：家蚕是以桑叶为食料的泌丝昆虫，又称桑蚕，简称蚕。家蚕起源于中国，饲育适温为20~30℃，主要分布在温带、亚热带和热带地区。中国的蚕业产区经过几千年历史变迁，逐渐形成了目前以浙、苏、川等10省市为中心的分布格局，其蚕茧产量占全国产量的90%以上。 　　野蚕：自然界鳞翅目昆虫中除家蚕外，还有许多种类的幼虫具有吐丝作茧的本能。他们属于天蚕蛾科，习惯上把这些蚕类（非家蚕类）称为野蚕，但它与桑树害虫中的野餐是不同的概念。野蚕中有经济价值并已利用的约有30多种，如柞蚕、蓖麻蚕、天蚕，以及琥珀蚕，樟蚕、樗蚕、大乌柏蚕、柳蚕、栗蚕等等，我国野生天蚕分布于黑龙江、吉林、辽宁等省区的天然柞林里，其中，柞蚕经济价值最高，已经形成独立的产业。 　　茧丝纤维的超微结构 　　电子显微镜、x射线衍射法、光学显微镜是高分子物质结构物理学研究的基础，其中通过电子显微镜对茧丝纤维进行的研究已经进入到家蚕分子生物学、基因工程等研究领域。对茧丝纤维的超微结构的研究是今后进行蚕丝改性、开发研究新型原料丝及产品、赋予真丝纤维及其织物新的功能等工作的基础。目前为止，对茧丝纤维的研究已经在茧丝纤维的形成机理、丝素和丝胶的结构和性质、茧丝外形和横截面结构、茧丝微细结构和纤维性质的关系等研究方面取得了一系列的研究成果。 　　茧丝的结构组成： 　　茧丝是由两根单丝构成，每根单丝由芯部的丝素和外被的丝胶构成，其中丝素占70~80%，丝胶占20~30%以及少量茧丝腊、碳水化合物、色素和无机物。一根单丝丝素是由900~1400根直径约0.2~0.4μm的细纤维构成；一根细纤维是由1000根直径约100~150的微纤维构成，纤维自己有孔隙：微纤维内部是取一种结晶区和非结晶区相间的构造。在显微镜下观察，茧丝表面在纤维长度方向有0.04~0.05μm的平行的微原纤细波状起伏，在纤维方向可以看到与原纤平行的沟状结构，这种沟状结构在野蚕丝纤维上更为明显。柞蚕丝中巨原纤的排列基本平行丝轴，具有层状排列结构，基本呈疏松状态，可能是柞蚕丝绸织物吸湿、透气等性能良好的原因。 　　茧丝丝素微细结构： 　　丝素是由蚕的后部绢丝腺分泌合成的蛋白质。茧丝是由定向排列的丝素基本纤维所构成，而这些丝素基本纤维是由球形丝素团滴在腺腔中移动时，经构象变化所形成的。家蚕丝素是由一种有乙氨酸、丙氨酸等十八种氨基酸组成的天然蛋白质，丝素蛋白是生物材料及医药领域新原料，由茧丝丝素制得的丝素膜具有良好的生物相溶性和合适的透气透水性。 　　茧丝丝胶微细结构： 　　丝胶中具有许多直径为2~5μm的先天性茧层分离细纤维，这也是丝织物上产生茸毛的主要原因，野蚕茧的丝胶层与家蚕情况相同，大致由a、b、c、d四种丝胶层构成，对于标准系茧丝（含死角25%），a层指的是单丝外围的丝胶，色泽暗淡、含有许多球形小泡状物；b层色泽明亮；c层色泽暗淡，但不含球形小泡状物；d层丝胶和丝素已经开始混合。 　　桑蚕丝的特性 　　蚕丝手触柔软而有弹性，精炼脱胶后的练丝，表面平滑均匀，光洁雅致。蚕丝是多孔性蛋白质纤维，具有良好的吸湿、散湿性能和含气、透气性能。四肢物柔和舒适，具有独特的"丝鸣"特征。 　　蚕丝强伸力高，断裂强度可达3.1~3.6dN/tex(3.50~4.09gf/旦)、断裂伸长度可达15~25%；单位截面积所承受的切断强度达到432.1~471.4N/mm2(44~48kgf/mm2)，接近于钢丝。蚕丝的耐磨性能优于其它天然纤维，22.2/24.42dtex(20/22旦)4A计生丝包和力达80次左右。 　　蚕丝耐热性好，其分解点为150℃左右，同时，蚕丝的保暖性好，穿着时有冬暖夏凉的感觉。 　　蚕丝绝缘性能好，是电的不良导体，但回潮率高时会降低电阻而减低绝缘性能，一般情况下，蚕丝纤维回潮率为8%~14%。 　　蚕丝染色性能良好，可用直接染料、酸性染料、活性染料和多种媒染剂染色，碱性染料需加保护剂。染色效果美观、鲜明、细腻。 　　蚕丝对酸的抵抗力比棉花强、比羊毛弱，随着浓度的增加、温度的提高，丝纤维中止膨润而溶解。苛性碱即使低温也能溶解丝胶并损伤丝素。 　　蚕丝中的丝素能吸附某些金属（如锡），利用这一特性可进行锡增量加工，以增加丝素的体积和耐皱性。也可利用丝胶固着等方法处理蚕丝，获得独具风格的蚕丝新素材，制作某些服用饰物以及夏令服装。 　　蚕丝纤维的缺陷是长期保存或暴晒，容易引起黄变和脆化，丝织物洗涤后再经日晒也容易褪色，某些微生物菌类能使蚕丝变色，影响丝织物品质。另外，纤维的摩擦强度、屈曲强度、伸长疲劳等服用性能不如合成纤维。 　　柞蚕丝的特性 　　柞蚕丝是以柞蚕茧为原料缫制而成的天然蚕丝纤维。他比桑蚕丝粗，扁圆形，呈淡黄色。在显微镜下观察，每根柞蚕丝由两根扁平的单丝纤维并列结合而成。两根扁平纤维又由若干纤维束组成，纤维束内部有许多空隙，形成纤维的多孔性，它能吸收紫外线，抗日晒，不宜脆化。 　　柞蚕丝的强伸力较大，在干燥及湿润状态下，强力为3.34~3.48cN(3.41~3.55Ggf)，伸度为27.75%~51.0%，比桑蚕丝、羊毛等天然纤维大。柞蚕丝湿润、干燥后还有卷曲性，成波浪形，精炼也不消失，用作短纤维能使纤维络合，可混纺交织。柞蚕丝耐热性能、绝缘性能好，干燥时抗电压高达7~8kV(千伏)，此外还具有较强的耐酸碱性。柞蚕丝外观光洁柔软、富有弹性，其品质等级划分为4A、3A、2A、A、B、C、D7个等级以及等外级。分级评定是以肉眼外观检验和机械物理性能检验共14个项目的成绩来确定的。 　　柞蚕丝因其良好的理化性能，成为丝绸工业的重要原料，被广泛应用于人们的日常生活、外贸出口，以及工业、国防等许多方面。 　　蓖麻蚕绢丝的特性 　　用蓖麻蚕茧作原料、进行绢纺加工而获得的丝，成为蓖麻蚕绢丝。 　　蓖麻蚕丝截面结构与桑蚕丝、柞蚕丝相似，但锐角较小，截面呈现麻纹并有孔腔。每根茧丝由两根单纤维并列而成，平均线密度为2.78~3.11dtex（2.5~2.8旦），与桑蚕丝接近，精炼（脱胶）后先密度为1.22~1.44dtex（1.1~1.3旦），比桑蚕丝粗30%，茧的外层线密度较细，中层较粗，内层中等。 　　蓖麻蚕丝强力小于桑蚕丝，但伸长度比桑蚕丝好，其精炼纤维连续日晒10天后强力损失仅为2.84%，远比桑蚕丝（17.5%）小。蓖麻蚕丝在标准适度状态下吸湿、放湿性比桑蚕丝好，其精炼纤维的回潮率比桑蚕丝高；热传导系数也比桑蚕丝高，绝热性能好。另外，蓖麻蚕丝具有较强的耐酸碱性、耐磨性及抗压性，在工艺处理时不易引起纤维纵向分裂，不易产生毛茸；同时因蚕丝纤维简报和性较差，不易僵结，伸长率较大，机械牵引时丝纤维不易切断。 　　蓖麻蚕丝丝质好、弹性大、耐磨性优良，且纤维均匀、所制绢丝及绢绸节疵与白点少，绸面清晰。但蓖麻蚕丝的显色鲜艳度较桑蚕丝差，织物光泽较暗，手感较粗。 　　天蚕丝的特性 　　天蚕丝是以天蚕丝作原料缫制而成的蚕丝长纤维。天蚕丝为天然的绿色或黄绿色蚕丝，具有闪烁光泽，且手感柔软，茧丝无雷结，丝质独特优美，无需染色而能织成艳丽华贵的丝织物，因而在各类蚕丝中经济价值最高，被誉为蚕丝中的"绿色宝石"。 　　天蚕丝的单丝截面为不规则的扁平形，也有椭圆形及其他不规则形状，由于不同断面形状的单丝纤维组合在一起，使天蚕丝在光照条件下反射光线强烈，具有别具特色的优雅光泽。同时，组成单丝纤维的微细纤维其聚集状态是疏松的，形成了许多平行于纤维轴的微细长形空孔，以及相当数量的缝隙，因此天蚕丝纤维的蓬松性、柔软性好，具有优良的吸湿、排湿性能。天蚕丝由于构成微细纤维的结晶结构与桑蚕丝不同，故其耐化学性也优于桑蚕丝。天蚕丝强伸力明显高于桑蚕丝及柞蚕丝，其丝织物坚牢、不皱。此外，天蚕丝的交织性能良好，在桑蚕丝或其他天然纤维中织入部分天蚕丝，即成为高档丝织物。 　　利用天蚕丝优良的丝纤维特性和高雅、柔和的特点，可制成高档、华贵的织物面料，刺绣用线，以及各类饰品。天蚕丝是蚕丝中的佼佼者，其开发应用前景十分广阔。