丝织物在程序开发中的老化机理研究

丝织物在程序开发中的老化机理研究

考古发掘的大量丝绸文化遗产展示了中国悠久的历史文化。由于丝织品文物长年埋藏在地下,已发生不同程度的老化,出土后受到光照等环境因素的作用,丝织品的老化程度严重加剧,因而需要对这些珍贵的丝织品文物进行科学保护。制作丝织物的蚕丝纤维是一种天然蛋白质纤维,主要含有丝素、丝胶及少量其它物质,在光、热、生物等因素作用下蚕丝纤维会发生老化,其力学性能、表面形貌、聚集态结构、分子质量等均产生了变化。业已明确丝织物的老化是许多因素综合作用的结果。国内的研究者用现代丝织品人工加速老化模拟出土丝织品文物,然后针对单一环境条件(如光照)影响丝织物的老化过程开展研究,对于其它环境因素特别是多种环境因素共同对丝织物的老化影响并没有太多的研究。因此,需要进一步研究多种环境因素作用对丝织品老化的影响,才能为丝织品文物的保护提供更为科学有效的依据。目前,丝织物光老化所采用的光源主要有紫外灯和氙灯,其中氙灯对太阳光的模拟性较好。本项研究选用波长340nm的氙灯为辐照光源,通过调控试验仓中的温度和相对湿度,研究丝织物在氙灯照射下,环境温湿度对其性能和结构的影响,探讨多种环境因素作用下丝织物的光老化过程。1材料和方法1.1材料表面试验选用的家蚕丝织物为11160电力纺(杭州万事利丝绸科技有限公司)。1.2温度、湿度试验本试验采用的老化设备为DR4000型(水冷)日晒试验机(温州市大荣纺织仪器有限公司)。氙灯波长340nm,到达丝织物表面的辐照度为0.45W/m2,试验仓内设定不同温度、湿度对丝织物进行老化处理,每隔2d取样1次,直至20d。设定4个试验组的仓内温度、湿度条件:62℃,RH70%;62℃,RH20%;40℃,RH70%;40℃,RH20%。1.3丝绸纺织机的性能测试1.3.1力学性能测试采用YG065电子织物强力仪(莱州市电子仪器有限公司),参照GB/T3923.1—1997《织物拉伸性能第1部分:断裂强力和断裂伸长率的测定条样法》,对丝织物的力学性能进行测试。1.3.2扫描电镜tm3000将样品用导电胶粘贴于铝质样品台上,用SBC12离子溅射仪(北京中科科仪技术发展有限责任公司)镀金,运用TM3000型扫描电子显微镜(日立)对样品进行形貌观察。1.3.3红外光谱测定将样品切成粉末,取2mg与100mgKBr充分混合研磨后压片,用SpectrumOne傅里叶红外光谱仪(美国PerkinElmer公司)进行测定,扫描范围4000～500cm-1,分辨率4cm-1。1.3.4丝绸溶液的特性粘度测试参照标准SNV195595测试样品的特性粘度。2结果与分析2.1不同温度对丝织物断裂强力的影响高分子材料发生老化最显著的特征是力学性能下降。测定丝织物在不同温湿度条件下,随着光老化时间延长其力学性能的变化趋势,可以有效反映环境温湿度对丝织物光老化过程的影响。如图1所示:随着光老化处理时间增加,丝织物的力学性能呈下降趋势,但不同温湿度条件下的变化过程有差别:环境中的相对湿度较高时,丝织物的断裂强力在老化初期迅速下降,随着时间推移,下降速度趋于平缓,而湿度较低的环境中,丝织物的断裂强力下降趋势趋于线性;环境温度较高时,丝织物的断裂强力下降速度和程度都明显加剧。从图1还可见,当光老化处理达到20d后,62℃、RH70%,62℃、RH20%,40℃、RH70%,40℃、RH20%4个试验组的丝织物的断裂强力分别下降到原样的3.6%、7.5%、5.4%、21.6%,温湿度相对较低的试验4组与其余3个试验组的差异明显,表明高温高湿环境会加剧丝织物的老化。丝织物的光老化本质上是蚕丝蛋白高分子发生光化反应。在相同的光照强度下,温度升高,蚕丝蛋白高分子链段热运动能量增加,光化反应加剧,分子链段更容易发生断裂,同时,织物表面和内部温度升高,产生内应力,出现翘曲和龟裂;湿度增加,蚕丝纤维膨胀,体积变大,其聚集结构的分子间作用力改变,老化的速度和丝纤维强度都发生不同程度的变化。2.2丝织物光老化试验结果丝织物的光老化过程是从蚕丝纤维表面开始的,运用扫描电子显微镜对蚕丝纤维形貌进行观察,可以初步确定丝织物的老化状况。图2为未经光老化处理丝织物的扫描电子显微镜图片,可见蚕丝纤维纵向表面光滑,不存在明显断口或裂隙,但存在少量损伤,这可能是在脱胶、缫丝、织造等过程中造成的。从丝织物在4种温湿度条件下光老化处理20d的扫描电子显微镜图片可以看出(图3),在氙灯的照射下,环境温湿度发生改变,各组丝织物蚕丝纤维的表面均呈现出不同的受损程度。试验1组(62℃、RH70%)的老化最严重,蚕丝纤维表面出现裂隙,断口增多;试验2组(62℃、RH20%)的蚕丝纤维纵向出现较多裂隙,但表面较光滑;试验3组(40℃、RH70%)的蚕丝纤维纵向出现裂隙,表面粗糙度增加,但未出现断口;试验4组(40℃、RH20%)的蚕丝纤维表面仅出现少量裂隙,大部分纤维表面较光滑。相同光老化处理时间下,不同试验组丝织物的老化程度和老化状态存在明显差异,说明环境温湿度对丝织物的老化作用明显。2.3酰胺带结构的变化红外光谱被广泛应用于分析化合物的结构。丝织物老化会导致蚕丝蛋白分子结构的变化,因此从丝织物的红外光谱可以判断丝织物老化原因和老化状态。大量的研究表明,蚕丝蛋白的红外吸收谱在1690～1600cm-1处有C==OC=Ο伸缩振动而产生的吸收谱带,为酰胺Ⅰ带特征峰,其由几个子峰组成,包含了蛋白质的二级结构:1650～1658cm-1为α-螺旋;1700～1660cm-1为β-转角;1650～1610cm-1为β-折叠;1650～1640cm-1为无规卷曲。如图4-A所示,试验1组(62℃、RH70%)的蚕丝蛋白的酰胺Ⅰ带分裂成2个明显的子峰(1658cm-1和1645cm-1),而且子峰1645cm-1有较强的吸收强度,出现较多的无规卷曲结构,纤维老化严重;对照样及其它3个试验组的蚕丝蛋白的红外吸收谱图中未出现类似的现象,但是其它3个试验组蚕丝蛋白的酰胺Ⅰ带向低波数方向发生不同程度的偏移,表明β-折叠结构向无规卷曲结构发生了不同程度的转变。酰胺Ⅲ带(1330～1220cm-1)虽然信号较弱,但水在此吸收带没有吸收,蚕丝蛋白的二级结构特征明显,1250～1220cm-1为β-折叠,1270～1250cm-1为无规卷曲,可以对酰胺Ⅲ带进行曲线拟合,进一步确定各样品中无规卷曲结构的含量。根据酰胺Ⅲ带二阶导数和傅里叶去卷积图谱确定子峰位置,采用软件Origin8.5对谱图进行高斯拟合,根据积分面积计算得到无规卷曲结构的含量。对照样和试验1、2、3、4组的无规卷曲结构的含量分别为16.28%、31.04%、27.23%、26.28%、24.66%。比较发现,相同光老化处理时间下,温湿度越高,蚕丝蛋白的无规卷曲结构含量越高,结晶区破坏越厉害,丝织物的老化也越严重。2.4丝蛋白溶液特性粘度的变化材料宏观性能的变化与其微观结构的变化密切相关,丝织物断裂强力下降的主要原因是蚕丝蛋白分子链的断裂,这直接导致其相对分子质量的下降,由于蚕丝蛋白相对分子质量可以由蚕丝蛋白溶液的特性粘度表征,因此对人工老化丝织物的丝蛋白溶液特性粘度进行测试,以评估丝织物老化状况。如表1所示,对照样的丝蛋白溶液特性粘度最高,随着丝织物在不同温湿度环境中进行光老化处理的时间延长,其丝蛋白溶液特性粘度明显下降,而且不论在何种环境下,丝织物断裂强力都是随着特性粘度的下降而下降。试验1组(62℃、RH70%)丝蛋白溶液的特性粘度最低,试验4组(40℃、RH20%)丝蛋白溶液的特性粘度最高。说明环境温湿度越高,光老化丝织物的丝蛋白溶液的特性粘度越低,平均分子质量越低,丝织物的光老化越严重。3丝织物老化速度随立地环境的变化丝织物的老化是不同因素综合作用的结果,通过改变丝织物氙灯照射老化过程中的温湿度环境条件,得到不同的丝织物老化样。对这些丝织物老化样的各项