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天然长纤维:蜘蛛丝的优异性能

时间:2023-06-30 理论教育 版权反馈
【摘要】:蜘蛛牵引丝的强度与钢相近,低于对位芳纶,但明显高于蚕丝、橡胶及一般合成纤维;伸长率则与蚕丝及合成纤维相似,远高于钢及对位芳纶;尤其是其断裂功最大,是对位芳纶的三倍之多,因而其韧性很好,再加上其初始模量大、密度小,所以是一种非常优异的材料。蜘蛛丝摩擦系数小,抗静电性能优于合成纤维,导湿性、悬垂性优于蚕丝。

天然长纤维:蜘蛛丝的优异性能

1.蚕丝 蚕丝纤维是由蚕吐丝而得到的天然蛋白质纤维。蚕分为家蚕和野蚕两大类。家蚕即桑蚕,结的茧是生丝的原料。野蚕有柞蚕、蓖麻蚕、天蚕、柳蚕、栗蚕等,其中柞蚕结的茧可以缫丝,其他野蚕结的茧不易缫丝,仅能作绢纺原料。

(1)桑蚕丝。桑蚕丝是高级纺织原料,有较好的强伸度,纤维细而柔软,平滑,富有弹性,光泽好,吸湿性好。采用不同的组织结构,丝织物可以轻薄似纱,也可以厚实丰满。丝织物除制作服装外,在工业、医疗及国防上也有重要地位。柞蚕丝具有坚牢、耐晒、富有弹性、滑挺等优点。柞丝绸在我国丝绸产品中占有相当地位。

蚕丝主要由丝素和丝胶两种蛋白质组成。此外,还有一些非蛋白质成分,如脂蜡物质、碳水化合物、色素和矿物质(灰分)等。

蚕丝大分子是由多种α-氨基酸剩基以酰胺键(肽链)连结而成的长链大分子。在桑蚕丝中,甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸和酪氨酸的含量占90%以上,其中甘氨酸和丙氨酸的含量约占70%,且它们的侧基小,因而桑蚕丝素大分子的规整性好,呈β-曲折链形状,有较高的结晶性。丝素的肽链间联结情况如图1-9所示。

(2)柞蚕丝。柞蚕丝与桑蚕丝略有差异。桑蚕丝素中甘氨酸含量多于丙氨酸,而柞蚕丝素中丙氨酸含量多于甘氨酸。此外,柞蚕丝含有较多支链的二氨基酸,使其分子结构规整性较差,结晶性也较差。

蚕丝是由两根单丝平行黏合而成,各自中心是丝素,外围为丝胶。蚕丝的横截面呈半椭圆形或略呈三角形,如图1-10所示。

图1-9 丝素的肽键连接示意图

包覆在丝素外面的丝胶,按对热水溶解性的易难,依次分为丝胶Ⅰ、丝胶Ⅱ、丝胶Ⅲ和丝胶Ⅳ四个部分。丝胶的四个组成部分形成层状的结构。丝胶Ⅲ和丝胶Ⅳ不仅结晶度高,而且微晶取向度也高,取向方向可能与纤维轴平行。丝胶Ⅳ的突出特点是在热水或碱液中最难溶解。在精炼时,残留一些丝胶Ⅳ,对丝织物的弹性和手感是有益的。

图1-10 蚕丝横截面示意图

茧丝一般很细,强度很低,而且单根各段粗细差异过大,不能直接用作丝织物的原料,必须把几根茧丝错位合并,胶着在一起,制成一条粗细比较均匀的生丝,才有实用价值。缫丝就是把蚕茧煮熟的绪丝理出后,根据所需线密度的要求,在一定工艺条件下缫制成生丝。(www.xing528.com)

生丝是由数根茧丝依靠丝胶黏合构成的复合体。生丝的横截面不均匀,没有特定形状。大部分生丝的横截面呈椭圆形,占65%~73%,呈不规则圆形的占18%~26%,呈扁平形的约占9%。

显微镜下观察生丝,丝素呈透明状,丝胶呈暗黑色。丝条纵向有各种疵点,如糙颣、环结、丝胶块、裂纹等,这些都影响丝绸的外观。

桑蚕丝纤维的分子结构中,有酸性基,也有碱性基,呈两性性质。其中酸性氨基酸含量大于碱性氨基酸含量,因此,桑蚕丝纤维的酸性大于碱性,是一种弱酸性物质。

在丝绸精炼或染整工艺中,常用有机酸处理以增加丝织物光泽,改善手感,但同时丝绸的拉伸断裂强度也稍有降低。碱会影响丝素的膨胀溶解。氢氧化钠等强碱对丝素的破坏最为严重,即使在稀溶液中也能侵蚀丝素。碳酸钠、硅酸钠的作用较为缓和。在进行丝的精炼时一般多选用碳酸钠。

天然彩色蚕茧是一种具有颜色的桑蚕丝。生产天然彩色蚕茧有两种途径。一是在普通家蚕饲养过程中,在食物中添加经过处理的生物有机色素,从而改变家蚕绢丝腺的着色性能,生产出五颜六色的天然彩色蚕茧。二是通过遗传手段,由野蚕系列的彩色蚕茧与白色品种蚕茧正反交,经过多代选育或经过转基因培育而成。这种蚕茧的天然彩色色素由蚕的主导基因控制,饲养过程中对蚕本身及饲料没有进行任何色素处理。目前,杏黄色桑蚕丝已批量生产,绿色、粉红色等也已开始培育。

2.蜘蛛丝 蜘蛛丝属于蛋白质纤维,可生物降解且无污染。蜘蛛丝具有很高的强度、弹性、伸长率、韧性及抗断裂性,同时还具有质轻、抗紫外线、密度小、耐低温等特点,尤其具有初始模量大、断裂功大、韧性强的特性,被誉为“生物钢”。

蜘蛛丝由多种氨基酸组成。含量最多的是丙氨酸、甘氨酸和丝氨酸,还包括亮氨酸、脯氨酸和酪氨酸等。中国的大腹圆蜘蛛牵引丝的蛋白质含量约为95.88%,其余为灰分和蜡质物。

蜘蛛丝的结晶度很低,几乎呈无定形状态,其中牵引丝的结晶度只有桑蚕丝结晶度的35%。

蜘蛛牵引丝的强度与钢相近,低于对位芳纶,但明显高于蚕丝、橡胶及一般合成纤维;伸长率则与蚕丝及合成纤维相似,远高于钢及对位芳纶;尤其是其断裂功最大,是对位芳纶的三倍之多,因而其韧性很好,再加上其初始模量大、密度小,所以是一种非常优异的材料。蜘蛛丝的干丝较脆,而湿丝则有很好的弹性,拉伸至其长度的300%时才发生断裂。蜘蛛丝在常温下处于润湿状态时,具有超收缩能力,可收缩至原长的55%,且伸长率较干丝大。

蜘蛛丝是一种蛋白质纤维,具有独特的溶解性,不溶于水、稀酸和稀碱,但溶于溴化钾、甲酸浓硫酸等,同时对蛋白质水解酶具有抵抗性,不能被其分解,遇高温加热时,可以溶于乙醇。蜘蛛丝的主要成分与蚕丝丝素的氨基酸组成相似,有生物相容性,所以它可生物降解和回收,同时不会对环境造成污染。蜘蛛丝所显示的橙黄色遇碱则加深,遇酸则褪色。

蜘蛛丝在200℃以下表现出热稳定性,300℃以上变黄;而一般蚕丝在110℃以下具有热稳定性,140℃开始变黄。蜘蛛丝具有较好的耐低温性能,在-40℃时仍有弹性,而一般合成纤维在此条件下已失去弹性。

蜘蛛丝摩擦系数小,抗静电性能优于合成纤维,导湿性、悬垂性优于蚕丝。

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