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不同烘茧温度对茧丝品质的影响工业技术论文发表

职称驿站所属分类:化工论文发布时间:2018-07-31 10:47:11浏览:1

 采用热风循环烘茧机对蚕茧进行干燥,探讨了不同头冲温度对生丝力学性能和丝胶结构的影响。通过一粒缫、力学性能测试、热重分析和红外光谱法分别对不同头冲温度处理后缫制生丝的力学性能、落绪分布和丝胶结构进行了研究,并用视频光学接触角测量仪观察了茧层的亲水性。研究表明,鲜茧经过高温干燥后茧层丝胶会产生热变性,理化性能发生改变,茧层丝胶的分子结构从无规卷曲向 β-折叠结构转化。当头冲温度为 105℃时,生丝力学性能最好,洁净成绩最高,且热稳定性最好。

   采用热风循环烘茧机对蚕茧进行干燥,探讨了不同头冲温度对生丝力学性能和丝胶结构的影响。通过一粒缫、力学性能测试、热重分析和红外光谱法分别对不同头冲温度处理后缫制生丝的力学性能、落绪分布和丝胶结构进行了研究,并用视频光学接触角测量仪观察了茧层的亲水性。研究表明,鲜茧经过高温干燥后茧层丝胶会产生热变性,理化性能发生改变,茧层丝胶的分子结构从无规卷曲向 β-折叠结构转化。当头冲温度为 105℃时,生丝力学性能最好,洁净成绩最高,且热稳定性最好。

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  在制丝工业中,烘茧是一道很重要的工序。烘茧的目的是烘杀蚕蛹和寄生的蝇蛆,同时除去鲜茧中所含的水分,使其能长期贮藏。在烘茧过程中,既要不损伤茧质,又要使丝胶适当变性,利于缫丝,提高生丝品位[1]。陈建勇等[2-3]利用热蒸汽干燥蚕茧,认为烘茧能增加外层丝胶的煮茧时抵抗力,提高出丝率和洁净成绩。烘茧过程一般可分为头冲和二冲两个阶段。其中,头冲阶段是烘茧过程中的预热与等速干燥阶段,二冲阶段是减速干燥阶段,即半干茧进灶至达到适干标准时为止。影响蚕茧干燥的主要工艺因素有温度、湿度、风速和铺茧量等。陈锦祥等[4] 研究发现在生产实践中,作为干燥工艺中的主要控制对象,温度不仅是

  影响干燥能力的主要因素,同时也是影响蚕茧质量的首要因素。陈时若等[5]通过试验表明,在中国沿用的二次干燥工艺中,对解舒率的影响,以头冲的温度占首位,二冲的温度次之,并研究了空气温湿度与解舒率、出丝率之间的关系,蚕茧的其他指标没有探讨。并且,蚕茧经干燥后,茧层丝胶作为蛋白质受热后会产生热变性,其理化性能将发生改变。基于此,本文设置不同的头冲干燥温度,探讨不同头冲干燥温度对蚕茧落绪分布、生丝力学性能、生丝热力学性能以及生丝基团结构等方面的影响。并选择合适的头冲干燥温度,使其满足于实际生产需要。

  1 材料与方法

  1.1 原料和仪器

  供试蚕茧为湖州市朱家兜同一批次的 2017 年春茧,家蚕品种为秋风×白玉及其反交。实验室自制热风循环烘茧机[6],HH-S 数显恒温水浴锅(常州翔天实验仪器厂),JCY-4型视频光学接触角测量仪(上海方瑞仪器有限公司),YG-731 型检尺器(无锡市第二纺织机械厂),PYRIS 1 型热重分析仪(美国 Perkin Elmer 公司),Nicolet 5700 型傅立叶红外光谱仪(美国尼高力公司)。

  1.2 实验方法

  1.2.1 蚕茧干燥

  5 种类型的干燥温度组合见表 1。将同一庄口的春茧在热风循环烘茧机中进行干燥实验,头冲和二冲各为 2.5 h(头冲前、后阶段各 1.25 h),其中 a 组为鲜茧,不进行干燥。

  1.2.2 茧层接触角测试

  将鲜茧及干燥处理后的蚕茧剖开,除去蚕茧中的蚕蛹,取蚕茧的束腰部位,将其剪成平整的块状;将试验用蚕茧分为 5 组,先于恒温恒湿(20 ℃ ± 2 ℃,相对湿度 65% ± 5%)条件下平衡处理 24 h;处理后在恒温恒湿(20 ℃ ± 2 ℃,相对湿度 65% ± 5%)条件下,通过视频光学接触角测量仪对去离子水液滴在茧层表面的形态变化进行测试观察,同时,记录去离子水液滴与茧层的瞬间接触角(θ)值。为了减小实验误差,将测得的每组实验数据除去偏差最大和最小的 2 个数据,再对其余数据取平均值。

  1.2.3 蚕茧落绪分布测试

  在同一水平下对蚕茧真空渗透,经同一煮茧工艺煮熟后,采用一粒缫测定方法,记录测定时断头次数和茧层落绪位置,缫至茧子蛹衣位置或断头后不能添绪为止,从检尺器上读取所摇取的百回数。每组测定 100 粒茧子。

  1.2.4 生丝力学性能测试

  采用 XL-2 型纱线强伸度仪测量生丝单丝强伸力。拉伸速度为 500mm/min,夹距距离为500mm,预加张力为 0.05cN/dtex,测试次数为 40 次。

  1.2.5 生丝清洁、洁净及抱合测试

  按照 GB/T 1978—2008《生丝试验方法》对样丝的清洁、洁净及抱合进行调查。 1.2.6 热力学性能测试

  分别称取生丝样品 1.0~1.5 mg,N2 保护,升温速率为 10 ℃/min,测试温度范围 25~

  500 ℃,测量生丝的热稳定性能。

  1.2.7 红外光谱测试

  用纤维切片器将样品切成粉末,以生丝∶KBr 大约为 1∶100 的比例进行研磨至两者混

  合均匀,将所得混合粉末压制成透明薄片。采用 Nicolet 5700 型红外光谱仪对压片进行测试。测定范围 4000 ~ 400 cm-1。

  2 结果与讨论

  2.1 茧层表面的瞬间接触角变化

  由于茧层之间的差异,本文通过多次重复试验,将所得数据取平均值。表 2 为不同干燥温度处理后的茧层接触角,图 1 展示的是不同干燥温度处理后去离子水液滴与茧层接触瞬间的形态。从表 2 和图 1 可以看出,鲜茧的接触角值最小(121.02°),且茧层表面与液滴的接触面最大。其余 4 组样品,随着头冲温度的提高,其茧层接触角值也在不断增大。首先,茧层表面的蜡质物及网状结构会阻止水分在茧层中的渗透,茧层表现为疏水性;其次,热风烘茧时,热空气会加剧丝胶蛋白质侧链基团的热运动,进而使得大量高动能的水分子进入丝胶分子内,破坏氢键等次价键,最终导致丝胶非晶区发生重排,发生了变性,有些亲水的基团反转向内,疏水基团转向外面,所以使茧层疏水性增加,不易溶于水[7-8]。因此,干茧茧层与液滴的瞬间接触角值均大于鲜茧,且随着头冲干燥温度的增加,丝胶变性越大,茧层的接触角值也就越大。

  2.2 不同头冲温度对蚕茧落绪分布的影响

  图 2 所示为经不同干燥温度处理后蚕茧的落绪位置分布(每个水平测定 100 粒蚕茧)。从图 2 可以看出,鲜茧茧层落绪主要分布在外层和内层,这主要是因为茧层中丝胶的含量由内向外呈递增趋势,茧层外层的丝胶含量大于中层的丝胶,因此,极易造成异常胶着和渗透煮茧时胶着点膨润不均匀,外层断头比中层多;同时,茧层内层的丝胶含量较少,且内层生

  丝纤度较细,因此,到接近蛹衬位置时很容易发生断头,所以造成了鲜茧内层落绪最多的现象。此外,从图中还可以看出鲜茧缫丝落绪次数要远远多于干茧缫丝。这是由于鲜茧经过热风烘茧机干燥之后,能使茧内、外层丝胶均匀变性,在适当的煮茧条件下,丝胶容易膨润溶解,丝胶异常胶着情况减少。当头冲干燥温度为 110 ℃时,蚕茧的落绪次数最少,且所有 4 组经干燥后的蚕茧落绪次数均少于鲜茧。

  2.3 不同头冲温度对生丝力学性能的影响

  表 3 为不同干燥温度对生丝力学性能的影响。表 3 数据显示,鲜茧丝的断裂强度与断裂伸长率最低,分别为 3.85cN/dtex 和 17.13%,明显低于经干燥处理后缫制的生丝。头冲干燥温度为 105℃缫制的生丝断裂强度最大,为 4.22cN/dtex;变异系数最小,为 2.81%。头冲温度为 100℃缫制的生丝断裂伸长率最高,为 21.56%,变异系数为 8.43%。由此可见,鲜茧经过干燥后缫制的生丝,力学性能得到明显提高,生丝质量稳定性更好。

  2.5 不同头冲温度对生丝热力学性能的影响

  图 3 为经不同干燥温度处理后生丝的热失重曲线(TGA),从图 3 可以发现生丝在整

  个升温过程中都伴随着质量的损失。其中,生丝质量损失的第一个阶段发生在 25~120 ℃范围内,这一阶段的质量损失是由于丝纤维中的水分蒸发导致[10]。样丝的质量损失主要发生

  在 280~350 ℃范围内,此阶段样丝在高温中熔融分解,从图 3 中可以看出鲜茧丝与干茧丝的热分解过程比较类似。鲜茧丝与干茧丝的质量损失峰值温度如表 5 所示,对比发现,鲜茧丝的最大质量损失速率点温度略低于干茧丝。此外,经不同头冲温度处理后缫制的生丝,其最

  大质量损失速率点温度也略有不同,其中头冲温度为 105℃缫制的生丝,最大质量损失速率点温度最高,为 338.140℃,说明其热稳定性最好。

  3 结 论

  a)蚕茧经过干燥后,茧层表面的疏水性随着干燥温度的增加而增加,鲜茧表面的亲水性要优于干茧;干茧的落绪次数比鲜茧少得多,特别是内层落绪次数。

  b)头冲温度为 105℃时,缫制的生丝力学性能最好,断裂强度为 4.22 cN/dtex,断裂伸长率为 20.71%;与此同时,头冲温度 105℃缫制的生丝清洁、洁净与抱合也优于其他头冲温度缫制的生丝。

  c)热重分析结果表明鲜茧经过干燥后,热分解温度提高,头冲温度为 105℃缫制的生丝,最大质量损失速率点温度最高,为 338.140℃,说明其热稳定性最好。

  d)红外光谱结果表明鲜茧经过干燥后,酰胺Ⅴ特征峰的位置发生了移动,茧层丝胶的分子构象发生了从无规卷曲(鲜茧丝)向 β-折叠结构(干茧丝)的转化。

  参考文献:

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