蠶絲特殊整理探究

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本文作者：蔣瑜春張?jiān)勺髡邌挝唬何髂洗髮W(xué)

蠶絲的物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)

桑蠶絲是純天然纖維，一根繭絲由兩根平行的單絲構(gòu)成。蠶絲主要由絲素和絲膠兩部分組成，每根單絲的中間部分為絲素，外圍為易溶于水并具有粘性的絲膠。在一根繭絲中，絲素占總重量的72％～81％，絲膠占總重量的19％～28％，還有5％左右的其它雜質(zhì)［3］。一根單絲的絲素纖維是由200根左右直徑大約1um的細(xì)單絲纖維組成；而一根細(xì)單絲纖維又由900～1400根直徑為10nm的微單絲纖維（又稱“巨原纖維”）集合而成的。蠶絲的比表面積（單位重量的纖維所具有的表面積）高達(dá)140m2／g。因此，蠶絲具有良好的吸附作用和釋放作用［4］。蠶絲是唯一的天然長(zhǎng)絲蛋白質(zhì)纖維，由18種氨基酸組成，其中有11種為人體所必需的氨基酸。絲素中的各種氨基酸由肽鍵聯(lián)結(jié)而成肽鏈，肽鏈形成的無(wú)規(guī)則卷曲的分子構(gòu)象使蠶絲纖維具有其它纖維所不能比擬的獨(dú)特功能。如分枝型結(jié)構(gòu)，肽鏈上許多的親水基團(tuán)如－OH、－COOH、－NH2等可以吸附和釋放水分［5］，再加上纖維本身所具有的多孔性，使蠶絲具有良好的吸濕性、放濕性、保暖性和散熱性等等。

蠶絲纖維的抗紫外線輻射整理

1紫外線的組成

紫外線是波長(zhǎng)為180～400nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁波。一般波長(zhǎng)在320～400nm稱為長(zhǎng)波或近紫外線，即UVA；波長(zhǎng)在290～320nm稱為中波或遠(yuǎn)波紫外線，即UVB；波長(zhǎng)在180～290nm稱為短波或極短紫外線，即UVC［6］。紡織業(yè)評(píng)價(jià)防紫外線指標(biāo)為紫外線防護(hù)因子（UPF），UPF值越大，對(duì)紫外線的防護(hù)能力越強(qiáng)［7］。按照規(guī)定，當(dāng)UPF值在15～24之間時(shí)，織物具有較好的紫外防護(hù)性，在25～39范圍內(nèi)時(shí)，具有非常好的紫外防護(hù)性，當(dāng)在40～50，或者達(dá)到50＋時(shí)，織物具有非常優(yōu)異的紫外防護(hù)性能［8］。

2蠶絲纖維的耐光性能

蠶絲是天然的蛋白質(zhì)纖維，從上述蠶絲的氨基酸組成成分可知，蠶絲具有吸收紫外線的功能。在蠶絲蛋白質(zhì)中，色氨酸、乙氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸的含量占蠶絲蛋白質(zhì)的總量很高，桑蠶絲的比例高達(dá)56．14％，柞蠶絲也達(dá)34．33％，這些氨基酸能與紫外線產(chǎn)生光化反應(yīng)，從而達(dá)到吸收紫外線的功能。但是這些氨基酸在與紫外線發(fā)生很強(qiáng)烈的光化反應(yīng)的過(guò)程中會(huì)使蠶絲蛋白質(zhì)分子主鏈的肽鍵發(fā)生斷裂，分子鏈裂解，導(dǎo)致蠶絲纖維的強(qiáng)力和伸長(zhǎng)度下降，光化反應(yīng)中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物形成的色素會(huì)使蠶絲泛黃變色，蠶絲纖維的性能會(huì)受到一定的影響［9］。因此，蠶絲纖維本身對(duì)紫外線具有一定的防護(hù)作用，但僅僅利用纖維本身在炎炎夏日里強(qiáng)烈的紫外線照射下對(duì)紫外線進(jìn)行防護(hù)顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，蠶絲纖維以犧牲自身的品質(zhì)———發(fā)生變黃脆化而達(dá)到的防紫外線功能其實(shí)很微弱，所以對(duì)蠶絲纖維進(jìn)行抗紫外線整理是十分必要的［10］。

3抗紫外線機(jī)理及紫外線屏蔽劑

1）抗紫外線機(jī)理

從光學(xué)原理上將，紫外線照射到織物上，一部分被纖維吸收，一部分被反射，其余的則從織物纖維間的孔隙中透過(guò)，也有可能直接通過(guò)纖維本身，即吸收率（％）＋反射率（％）＋透過(guò)率（％）＝100％，只有透過(guò)織物的紫外線才可輻射到人體，而且大部分是直接輻射至人體的，其余的是通過(guò)散射輻射到達(dá)的。抗紫外線機(jī)理就是采用紫外線屏蔽劑對(duì)織物（或構(gòu)成織物的纖維）進(jìn)行處理，增大織物（或纖維）對(duì)紫外線的吸收率和反射率，從而減小透過(guò)率［11］。

2）紫外線屏蔽劑

紫外線屏蔽劑所指的就是具有散射或吸收紫外線性質(zhì)的物質(zhì)，可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是有機(jī)類(lèi)紫外線屏蔽劑，另一類(lèi)是無(wú)機(jī)類(lèi)紫外線屏蔽劑。有機(jī)類(lèi)紫外線屏蔽劑，也稱紫外線吸收劑，一般為有機(jī)類(lèi)化合物，其分子結(jié)構(gòu)上大多含有芳香族衍生物上的吸收波長(zhǎng)小于400nm的發(fā)色基團(tuán)（如C＝N、N＝N、C＝O等）或助色基團(tuán)（如－NH2、－OH、－COOH等）［7］，其作用機(jī)理是這些基團(tuán)能強(qiáng)烈、有選擇性地吸收紫外線并進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，將紫外線變成波長(zhǎng)較短的電磁波或低能量熱能，同時(shí)轉(zhuǎn)變成活性異構(gòu)體，隨之以光和熱的形式釋放能量，以達(dá)到抗紫外線輻射的目的［6］。目前在國(guó)內(nèi)外能完全符合上述條件的紫外線吸收劑還很少，常用的紫外線吸收劑主要有：水楊酸酯類(lèi)（有效吸收波長(zhǎng)為290～330nm）；二苯甲酮類(lèi)（有效吸收波長(zhǎng)分為280～340nm和270～380nm兩種）；苯并三唑類(lèi)（有效吸收波長(zhǎng)為270～380nm）；氰基丙烯酸酯類(lèi)（有效吸收波長(zhǎng)為270～350nm）和金屬離子螯合物等等［6］。有機(jī)類(lèi)紫外線吸收劑由于含有芳香環(huán)，存在光穩(wěn)定性差、毒性、容易變色等缺點(diǎn)，因此在選用時(shí)應(yīng)該要考慮安全無(wú)毒的同時(shí)盡量減少對(duì)纖維性能的影響［10］。例如，ROGER研制的一系列含氮雜環(huán)酮類(lèi)紫外線屏蔽劑可以改善溶劑的光穩(wěn)定性和溶解性［12］；英國(guó)專(zhuān)利將粒徑0．01～2um的不溶性有機(jī)粒子屏蔽劑和二苯甲酰甲烷類(lèi)化合物組合來(lái)改善其光穩(wěn)定性［13］。無(wú)機(jī)類(lèi)紫外線屏蔽劑，也稱紫外線反射劑，一般為無(wú)機(jī)類(lèi)氧化物，沒(méi)有光能轉(zhuǎn)化的作用，其作用機(jī)理是利用物質(zhì)不具活性的物理性能促進(jìn)對(duì)入射紫外線的散射、反射來(lái)阻擋紫外線。常用的無(wú)機(jī)類(lèi)紫外線屏蔽劑有氧化鋅、二氧化鈦、高嶺土、碳酸鈣和滑石粉等，其中氧化鋅和二氧化鈦效果較好。近年來(lái)，開(kāi)發(fā)出對(duì)紫外光具有很強(qiáng)吸收性能的納米材料在抗紫外線方面得到重用。與有機(jī)類(lèi)紫外線屏蔽劑相比，納米無(wú)機(jī)類(lèi)紫外線屏蔽劑具有無(wú)毒無(wú)味、不分解、不變質(zhì)、安全環(huán)保、屏蔽范圍廣、能透過(guò)可見(jiàn)光等優(yōu)點(diǎn)，納米材料在抗紫外線整理中備受關(guān)注［10］。例如，李春等人利用納米二氧化鈦對(duì)滌綸織物進(jìn)行整理，整理后得到織物的抗紫外線能力增強(qiáng)［14］；黃晨等人運(yùn)用微乳液法制備的納米二氧化硅和納米二氧化鈦按質(zhì)量比2∶1復(fù)配，對(duì)棉織物進(jìn)行整理，整理后棉織物紫外線透過(guò)率在2％以下，抗紫外線效果明顯［15］。

蠶絲纖維的抗紫外線整理研究進(jìn)展

蠶絲纖維的抗紫外線整理一般采用紫外線吸收劑處理的方法。對(duì)蠶絲進(jìn)行抗紫外線整理的目的主要有兩個(gè)：一是減少紫外線對(duì)人體的危害；一是對(duì)蠶絲纖維本身進(jìn)行紫外線防護(hù)，主要是防止或減輕纖維的光降解，減小紫外線對(duì)纖維強(qiáng)力的損傷，降低纖維的泛黃變色程度［16］。隨著人們對(duì)生活品質(zhì)要求的提高，蠶絲纖維的抗紫外線整理研究發(fā)展迅速并且得到越來(lái)越多成功的研究成果。1994年，經(jīng)過(guò)兩年時(shí)間的試驗(yàn)及研究，湖北省絲綢公司實(shí)驗(yàn)室成功研制了MZQ－SP抗紫外線輻射整理劑，該整理劑屬非離子型，能適應(yīng)真絲織物等親水性纖維織物，可以有效地吸收270～388nm波長(zhǎng)的紫外線［17］。1997年，浙江絲綢學(xué)院的封云芳和武漢紡織工學(xué)院的張漢民［18］自主研發(fā)紫外線吸收劑F，該紫外線吸收劑是2，3二羥基二苯甲酮的衍生物，在280～400nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)有兩個(gè)紫外線吸收帶，對(duì)紫外線起到了屏蔽、吸收和能量轉(zhuǎn)移的作用。2000年，武漢科技學(xué)院的朱虹［19］自行研制了紫外線吸收劑WZ－1和WZ－2，該吸收劑是水溶性的，在對(duì)真絲織物進(jìn)行抗紫外線整理后，除了有效吸收紫外線外，織物的白度和強(qiáng)力得到了提高。2002年，大連輕工業(yè)學(xué)院的白剛和劉艷春［20］采用XF－KWS－16防紫外線柔軟劑和配套的XF－KWS－16防紫外線交聯(lián)劑對(duì)真絲織物進(jìn)行防紫外線整理。整理后得到的真絲織物具有良好的彈性、柔軟性、透氣性和防紫外線性能，不影響原有織物的風(fēng)格，但是真絲織物強(qiáng)力有所下降。2003年，浙江工程學(xué)院材料與紡織學(xué)院的余志成、周秋寶等［21］用天然植物提取液對(duì)真絲織物進(jìn)行處理后，得到的真絲織物在整個(gè)200～400nm波長(zhǎng)的紫外線均獲得了優(yōu)良的抗紫外線性能，紫外線透過(guò)率在5％以下，并且處理后的真絲織物服用性能不變。2004年，東華大學(xué)化工學(xué)院的鄧琴和張烈遠(yuǎn)［22］自行研制紫外線吸收劑DF－1，該吸收劑以苯甲酮類(lèi)、氫氧化鈉和濃硫酸為原料，與蠶絲的結(jié)合方式為吸附。利用二氯化錫與該吸收劑共同處理真絲織物后，得到的織物不僅有防紫外線作用，而且還能達(dá)到防泛黃的效果。2007年，蘇州大學(xué)的楊卉［23］用分散良好的納米二氧化硅作為防紫外線整理劑對(duì)真絲織物進(jìn)行浸漬、烘干后整理，真絲綢整理后的UPF值達(dá)35．87，防紫外線效果顯著，對(duì)防黃變能力較顯著。2008年，蘇州大學(xué)的付娟娟［7］利用紫膠紅色素在酸性條件上染的真絲織物有良好的抗紫外線性能，并且紫膠紅色素附著量越大，真絲的抗紫外線能力越強(qiáng)。并且經(jīng)過(guò)鋁鹽媒處理后能大大提高紫膠紅色素的上染率，抗紫外線能力也隨之提高，抗紫外線指數(shù)UPF高達(dá)111．8，水洗30次后UPF值仍然在50以上。同年，蘇州大學(xué)的程友剛［23］利用納米氧化鋅對(duì)真絲綢進(jìn)行抗紫外線整理，整理后的絲織物在整個(gè)紫外波段的透過(guò)率都大幅下降，織物的UPF值由整理前的6．2提高到了24．6，經(jīng)納米氧化鋅處理后的真絲織物具有良好的抗紫外線性能。2009年，蘇州大學(xué)的韓艷梅［11］采用蘆薈乙醇提取物對(duì)真絲綢織物進(jìn)行整理，實(shí)驗(yàn)表明整理后的真絲織物在UVA、UVB波段透過(guò)率大幅度下降，對(duì)紫外線具有良好的屏蔽效果。在蘆薈乙醇提取物濃度為8g／L時(shí)，織物的UPF值達(dá)到66，抗紫外線效果明顯。同年，蘇州大學(xué)的周青青［8］采用經(jīng)薯莨液、單寧酸增重的真絲織物進(jìn)行金屬離子處理，得到織物的紫外屏蔽性能大幅度提高，具備優(yōu)良的抗紫外線輻射功能，其UPF值均在70以上。同年，蘇州大學(xué)的丁巧英［10］將稀土（氯化鑭）／二氧化鈦復(fù)配整理液作為紫外線屏蔽劑對(duì)真絲織物進(jìn)行浸漬整理，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)浸漬后的真絲織物具有優(yōu)異的防紫外線和防黃變功能。當(dāng)納米二氧化鈦用量25g／L、稀土用量4g／L時(shí)，真絲綢的UPF值高達(dá)100．64，UVA透過(guò)率小于標(biāo)準(zhǔn)值5％，僅為69％。同年，蘇州大學(xué)的呂景春［9］采用濃度為2％owf左右的苯并三唑類(lèi)水溶性紫外線吸收劑UV－FastW以浸漬的方法對(duì)真絲綢進(jìn)行整理，織物的紫外線防護(hù)因子UPF可達(dá)30以上。通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用酸性染料染色與紫外線吸收劑整理同浴的方法能賦予真絲綢更好的紫外線防護(hù)功能。

結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，紫外線輻射將越來(lái)越不可避免。同時(shí)人們物質(zhì)生活水平的提高，自我保健意識(shí)逐漸增強(qiáng)，防紫外線輻射得到人們更多的關(guān)注。真絲織物由于其優(yōu)越的服用性能得到人們的青睞，蠶絲纖維的防紫外線研究具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。目前蠶絲纖維的抗紫外線整理大多以使用紫外線屏蔽劑為主，新一代以納米技術(shù)為支撐的高性能抗紫外線屏蔽劑的研制及對(duì)蠶絲纖維后整理加工技術(shù)的改進(jìn)都將是很有意義的研究方向。具有優(yōu)良抗紫外線性能的真絲服裝一定會(huì)有更好的開(kāi)發(fā)價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。