柞蚕丝的力学性能

不同吐丝速度下形成的柞蚕丝的力学性能和结构的初步研究东华大学纤维材料改性国家重点实验室杨红霞摘要对已开始吐丝的柞蚕在人为控制的不同吐丝速度下卷取柞蚕丝，并采用Instron万能试验机对其力学性能进行了研究。结果表明，在一定的吐丝速度范围内，随着吐丝速度的增加，柞蚕丝的断裂强度和模量增加、断裂伸长率减小，且丝纤维的取向度和结晶程度也随之增加，由此进一步说明拉伸过程会导致柞蚕丝中的丝素蛋白形成较多的β一折叠结构。引言

蚕丝和蜘蛛主腺体丝在长轴方向既具有较高的强度，又具有一定的延展性，使其综合力学性能远优于通常的合成纤维，其中蜘蛛丝更具有显著的强韧性。但蜘蛛丝的获取具有一定困难，而与家蚕丝相比，柞蚕丝蛋白的氨基酸序列更接近蜘蛛丝。柞蚕丝属于天蛾科野生蚕茧缫制的丝，具有很好的伸长性。在天然纤维中，它的强度仅次于麻，伸长率仅次于羊毛。1、实验1．1实验原料柞蚕：绿色活体，五龄，取自辽宁丹东；柞蚕茧丝：由上述柞蚕自然吐丝成茧后所得丝(未脱胶)。1．2不同吐丝速度下形成的柞蚕丝样品的制备固定正在吐丝的柞蚕头部和其他部分，使其头部不能左右摆动，将无级变速卷绕机设定到不同的卷绕速度卷取柞蚕丝纤维。1．3丝纤维力学性能的测试利用Instron5565型万能实验机(美国)对固定在支架上的柞蚕丝进行拉伸试验。夹距为10mm，拉伸速率为1mm／min，测试环境温度为22℃，环境湿度为51%。每个样品随机采集20根单丝进行测量，结果取平均值。2、结果与讨论2．1柞蚕丝的应力一应变曲线特征由图1可以看出，各种柞蚕丝的应力一应变曲线均包括初期弹性阶段、屈服阶段和强化阶段3个不同区域。家蚕的自然吐丝速度约为0.6m/min。当人为控制柞蚕吐丝速度0.6m/min时，由于这一速度与蚕的自然吐丝速度非常接近，故所得柞蚕丝的曲线(图1(b))与柞蚕茧丝的曲线(图1(a))极为相似，断裂伸长及断裂强度都比较接近。从图1还可以看出，随着吐丝速度的增加，所形成的柞蚕丝纤维的断裂强度增加，而断裂伸长下降，但丝纤维的应力一应变曲线的形状无太大的变化。柞蚕丝与蜘蛛牵引丝的应力一应变曲线的特征非常相似相比之下，家蚕丝的应力一应变曲线中则只观察到弹性阶段和强化阶段，没有观察到明显的屈服阶段。由此可见，柞蚕丝的强度和伸长特征与蜘蛛丝接近，而与家蚕丝有一定区别。2．2吐丝速度对柞蚕丝力学性能的影响由表1及图4、图5中可以看出，在一定的吐丝速度范围内，当吐丝速度变大时，所形成的柞蚕丝初始模量和断裂强度都随之提高。当吐丝速度增加至5．7m/min时，柞蚕丝纤维的力学性能达到最佳，丝纤维的强度达到638．9MPa，模量达到9、86GPa，断裂能则达到了1．04x105J/kg，几乎与蜘蛛牵引丝的断裂能相当，由此表明此时的柞蚕丝已具有较好的强韧性。3、结论(1)柞蚕丝的应力一应变曲线存在弹性阶段、屈服阶段和强化阶段，与典型的蜘蛛牵引丝的应力一应变曲线较相似。(2)在人为控制的一定的吐丝速度范围内，随着吐丝速度的增大，所形成的柞蚕丝纤维的断裂强度和初始模量提高，由此说明在人为控制的较高吐死速度下，可以得到力学性能较好的柞蚕丝纤维。(3)在本文的实验条件下，当吐丝速度达到5.7m/min时，所形成的柞蚕丝纤维的力学性能最佳，此时丝纤维的断裂强度达到