CN204589458U - 一种获取高强度蚕丝纤维的制备装置 - Google Patents

Abstract

一种获取高强度蚕丝纤维的制备装置，包括缠绕经捻丝得到的蚕丝线的原料线轴，在原料线轴一侧依次设置有聚乙二醇浴箱、送料滚轮、加热滚轮、收集线轮；送料滚轮、加热滚轮和收集线轮间隔距离分别安装在支架上并分别由驱动装置驱动转动；在加热滚轮内部设置有加热装置；原料线轴上的蚕丝线通过聚乙二醇浴箱涂布聚乙二醇后依次缠绕在送料滚轮和加热滚轮上对蚕丝线进行拉伸，同时通过加热滚轮对拉伸后的蚕丝线进行热定型；经拉伸热定型后的蚕丝线冷却后收集在收集线轮上；加热滚轮和收集线轮的线速度相同。本工艺及装置结构简单，可获得高强度蚕丝线，适合工业化大规模生产。

Description

一种获取高强度蚕丝纤维的制备装置

技术领域

本实用新型涉及纺织行业，尤其涉及到提高桑蚕丝纤维强度的工艺方法及制备设备。

背景技术

在高端纺织行业蚕丝是宝贵的原材料。蚕丝的丝素蛋白的固有特性在生物技术和生物医学方面也是很重要的研究对象。前人尤其在蚕丝的纺纱、结构特性上作了许多研究。蚕丝纤维的一个关键特性就是其拉伸强度。据文献报道，天然蚕丝的拉伸强度大约是370MPa左右。在现代化蚕丝织品纺织过程中，因为蚕丝纤维的拉伸强度不是很高，很容易发生断裂，造成纺织效率低下。研究者尝试了不同方法提高蚕丝纤维强度，迎合高效率纺织生产的要求，及在生物医药领域中的应用。一些学者使用人工强迫被固定的家蚕吐丝的方法直接获得蚕丝纤维，通过控制吐丝速度，分别获得最高强度达到650 MPa和 900MPa的蚕丝纤维。然而，该研究工艺无法工业化地大规模生产，即使其获得蚕丝强度很高。为了获得具有高纺织效率和低成本效应的高强度蚕丝纤维，一些研究者试图通过湿纺法再生蚕丝纤维。其解决的办法是用1,1,1,3,3,3 -六氟-2 -丙醇（HFIP）、氟丙酮（HFA）、甲酸、三氟醚乙酰酸（TFA）、N-甲基吗啉N-氧化物（NMMO）、氯化1-乙基-3-甲基咪唑（EMIC）和水及聚氧化乙烯（PEO）的混合溶液来溶解丝素蛋白。制备纺丝溶液的准备阶段是一个耗时的，多步骤的过程。首先对丝素蛋白进行脱胶去除丝胶；然后用高浓度盐溶液溶解，分离并干燥消除β折叠晶型结构，然后将丝素蛋白溶解在制备的有机混合溶液中制成纺丝溶液。再经纺丝溶液制成再生蚕丝纤维。其过程复杂并且效率低下，已经报道的再生蚕丝纤维的强度，一般来说，是大大低于天然蚕丝纤维的，从这些实验及报道文献中可知，再生蚕丝纤维距离商业化突破还有很大的技术差距。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种获取高强度蚕丝纤维的制备装置。通过该装置制备的蚕丝纤维其拉伸强度可以达到540MPa，且制备工艺可以工业化大规模生产。

为解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案是一种获取高强度蚕丝纤维的制备装置，其特征在于包括缠绕经捻丝得到的蚕丝线的原料线轴，在所述原料线轴一侧依次设置有聚乙二醇浴箱、送料滚轮、加热滚轮、收集线轮；所述送料滚轮、加热滚轮和收集线轮间隔距离分别安装在支架上并分别由驱动装置驱动转动；在所述加热滚轮内部设置有加热装置；所述原料线轴上的蚕丝线通过所述聚乙二醇浴箱涂布聚乙二醇后依次缠绕在所述送料滚轮和所述加热滚轮上，通过所述送料滚轮和所述加热滚轮对所述蚕丝线进行拉伸，同时，通过所述加热滚轮对所述拉伸后的蚕丝线进行热定型；经拉伸热定型后的蚕丝线冷却后收集在所述收集线轮上；所述加热滚轮和所述收集线轮的线速度相同。

在所述聚乙二醇浴箱内设置有对所述蚕丝线的限位装置，所述限位装置保证所述蚕丝线从聚乙二醇溶液中通过。

所述送料滚轮、加热滚轮和所述收集线轮的外径相同。

所述送料滚轮、加热滚轮和所述收集线轮的外径为15厘米。

在所述送料滚轮内设置有加热装置。

本实用新型是以纱线形式增强蚕丝纤维强度的新工艺新装置。本实用新型基于聚合物拉伸与热定型概念，对天然蚕丝纤维强度加强的简单且有效的工艺做了大量研究。用本实用新型工艺装置，首先对天然蚕丝纤维在较低温度下进行处理，并进行拉伸，然后在保持张力的情况下，在较高的温度下使蚕丝纤维进行热定型。蚕丝纤维的拉伸强度从天然蚕丝的370MPa，在经聚乙二醇涂布后，拉伸热定型后增加到了533MPa，意味着拉伸强度增加了44%。杨氏模量也有了135%的改善，从5.5GPa增加到12.9GPa。在室温下蚕丝被拉伸到最大拉伸比，然后在200ºC下进行热定型可得到最佳拉伸特性。通过该工艺装置制备的蚕丝纤维其拉伸强度可达到533±10.2 MPa，杨氏模量为12.9±0.57 GPa。与普通蚕丝纤维比较，一些特性得到了显著提高，拉伸强度增加了44%，杨氏模量增加了135%。通过WAXD（广角X射线衍射数据）可知，通过该工艺制备的蚕丝从蚕丝I到蚕丝II发生了纤维晶型结构的改变。DSC（基本扫描量热法）和TGA（热解重量分析）数据同样也为证明蚕丝纤维结构改变提供了支持。本实用新型工艺简单，制造装置简单便于工业化大规模实现，可高效率进行大规模加工高强度蚕丝纤维。

附图说明

图1，本实用新型制造装置结构示意图。

图2，不同拉伸温度下对蚕丝纤维进行拉伸后的拉伸比和拉伸强度对比曲线图。

图3，不同热定型温度下对蚕丝纤维进行拉伸热定型后平均拉伸强度的对比图。

图4，天然蚕丝纤维的拉伸强度和拉伸应变曲线图。

图5，涂布有PEG涂层的蚕丝纤维在20⁰C，拉伸比1.067，无热定型条件下的拉伸强度和拉伸应变曲线图。

图6，涂布PEG涂层的蚕丝纤维在200⁰C下热定型，拉伸比1.133条件下的拉伸强度和拉伸应变曲线图。

图7，涂布PEG涂层的蚕丝纤维在200⁰C下热定型，拉伸比1.2条件下的拉伸强度和拉伸应变曲线图。

图8，未拉伸的桑蚕丝线的SEM扫描图像。

图9，处理拉伸后的桑蚕丝线的SEM扫描图像。

图10，从原料线轴上直接取下的桑蚕丝线的2D XRD衍射图案。

图11，为涂布PEG的桑蚕丝线在20⁰C仅被拉伸，没热定型的2D XRD衍射图案。

图12，为桑蚕丝线涂布PEG后被拉伸，在 200⁰C下热定型，拉伸比为1.133的2D XRD衍射图案。

图13，为桑蚕丝线涂布PEG后被拉伸，在 200⁰C下热定型，拉伸比 1.2的2D XRD衍射图案。

图14，为蚕丝线在不同条件下处理加工后的大角度X射线衍射图谱。

图15，为不同处理条件下得到的蚕丝纤维的DSC温度图谱。

图16，为蚕丝纤维的TGA曲线图。

具体实施方式

本实用新型的获取高强度的蚕丝纤维的制造装置，参看图1，包括原料线轴，聚乙二醇浴箱、送料滚轮、加热滚轮、收集线轮；其中。

原料线轴1，安装在支架上。在原料线轴1上缠绕有待处理的经捻丝的蚕丝线。在原料线轴一侧设置有聚乙二醇浴箱2。在聚乙二醇浴箱中设置有限位装置，在本实施例，该限位装置为限位滚轮21，PEG溶液至少淹没限位滚轮的下半部分，其作用保证蚕丝线从PEG溶液中经过。在聚乙二醇浴箱一侧设置有送料滚轮3，送料滚轮3为圆柱状滚轮，安装在支架(未图示上，并通过驱动装置（未图示）驱动其转动。根据工艺需要，可以在送料滚轮3内增加加热装置，对送料滚轮加热。如在室温下使用，则不需增加加热装置。原料线轴上的蚕丝线经过聚乙二醇浴箱中的限位滚轮下穿过，在蚕丝线上均匀涂布聚乙二醇，然后再卷绕在送料滚轮3上。在送料滚轮3的一侧，间隔有适当距离设置有加热滚轮4,加热滚轮为圆柱状滚轮，安装在支架上，并通过驱动装置驱动其转动。在加热滚轮4的内部设置有加热装置（未图示），通过加热装置对加热滚轮加热，调节加热滚轮温度，并可使加热滚轮温度保持在某一温度下。在加热滚轮的一侧间隔适当距离，设置有收集线轮5，收集线轮5也为圆柱状，安装在支架上并由驱动装置驱动其转动。收集线轮5和加热滚轮4的线速度保持相同。为了更好的控制，收集线轮和加热滚轮的外径相同，转速相同，可以由同一驱动装置同时驱动收集线轮和加热滚轮转动，保证其线速度相同。加热滚轮和收集线轮之间的距离满足经加热滚轮出来的蚕丝纤维在加热滚轮收集集滚轮之间室温环境下移动时，已经被冷却。送料滚轮上的涂布了聚乙二醇的蚕丝纤维经拉紧后在加热滚轮上缠绕一圈或几圈，通过送料滚轮和加热滚轮的不同的线速度，实现加热滚轮对蚕丝纤维的拉伸，同时，在加热滚轮上进行热定型，拉伸热定型后的蚕丝纤维经冷却后再收集缠绕在收集线轮上。由于，收集线轮和加热滚轮的线速度相同，因此收集线轮和加热滚轮之间保持了蚕丝纤维的张力，保证了加热滚轮以一定的拉伸比对蚕丝纤维的拉伸，及在加热滚轮上的热定型时间。

本实用新型的制备工艺步骤如下：1）涂布处理：牵引经捻丝得到蚕丝线经过聚乙二醇浴进行涂布处理，涂布处理后将其缠绕在送料滚轮上，聚乙二醇浴温度控制在室温至80⁰C之间；2）拉伸热定型处理：将缠绕在送料滚轮上的蚕丝线经过拉伸绕设在加热滚轮上进行热定型处理；通过控制送料滚轮和加热滚轮的线速度控制拉伸比，拉伸比控制在1.05~1.3之间；送料滚轮温度控制在室温至110⁰C；加热滚轮温度控制在150⁰C ~230⁰C；蚕丝线在加热滚轮上缠绕接触时间0.5~5秒；3）冷却收集，经加热滚轮热定型后的蚕丝线室温冷却后收集在收集线轴上；所述收集线轴与所述加热滚轮的线速度相同。下面根据上述制备设备和工艺步骤对本实用新型的工艺进行具体说明。

首先，本实用新型工艺选择的蚕丝纤维材质为桑蚕丝。桑蚕丝为天然蚕丝。用工厂标准加工方法对桑蚕丝进行捻丝加工处理（约20捻/厘米），形成蚕丝线卷绕收集在原料线轴上。经捻丝形成的蚕丝线为本工艺的处理加工对象。捻丝而成的每根蚕丝线具有1.25 g/cm3的线性密度和包含了两根蚕丝纤维（每根纤维又包含两根单丝）。聚乙二醇（PEG）的平均分子量（MW）为200克/摩尔，从杰帝贝柯公司（ J.T. Baker） 购买。聚乙二醇作为涂层保护蚕丝纤维在高温热定型工艺时不被降解。

1）涂布处理

PEG浴箱的PEG溶液低于其沸点温度250⁰C下，其性能都相对稳定。但是保证蚕丝线不被高温降解，因此，PEG浴箱的温度一般保持室温至80⁰C下就可以。在本实施例中，选择PEG浴温度为室温。缠绕在原料线轴上蚕丝线穿过PEG浴箱后在送料滚轮上缠绕数圈后在加热滚轮上缠绕一圈或几圈后再缠绕在收集线轮上。为了保证蚕丝线从穿过PEG溶液中穿过，蚕丝线进入PEG浴箱中后从限位滚轮的下方穿出。在本实施例中，送料滚筒的线速度设定为15米/分钟。则蚕丝线在送料滚筒的牵引下，以15米/分钟的速度穿过PEG浴箱，使PEG涂布在蚕丝线上。经过在送料滚筒上的缠绕及滚轮外壁对蚕丝线的挤压，涂布在蚕丝线上的PEG在蚕丝线中涂布的更均匀。PEG涂层可以保护蚕丝在高温下暴露于空气中时，不会氧化降解。实验表明，在没有保护涂层时，蚕丝暴露在150⁰C下的空气中小于30秒的时间就会降解。在蚕丝线上涂布PEG涂层，可以保证其在后续工艺中较高温度下不被降解。

2）拉伸热定型处理

在送料滚轮与加热滚轮之间对蚕丝线进行拉伸，拉伸比通过设定送料滚轮和加热滚轮的线速度进行控制。在本实施例中，送料滚轮直径为15厘米，温度为室温。为了获得大的拉伸比和蚕丝纤维强度，送料滚轮的最高温度应该低于110⁰C。为确定送料滚轮的温度，进行了以下实验。高强度纤维一般是通过高比率拉伸获得。拉伸后的纤维期望有较小的瑕疵和好的拉伸性能。然而，由于聚合物链之间的氢键链接，桑蚕丝，即天然蚕丝纤维，不能进行大的拉伸，导致其很难通过拉伸提高强度。因此，提高天然蚕丝纤维强度的另一种方法被研究。热定型是一种能够稳定的纤维结构的有效方法，还可能提高其机械特性。然而，为让热定型工作，聚合物分子必须以一定方向排列然后在极短的时间内热定型以使无定形链迅速转变为晶型结构。对于拉伸热定型步骤，需要确定的关键因素是送料滚轮的温度。该温度为拉伸温度，其会影响到纤维的拉伸比。由于送料滚轮温度会影响到纤维拉伸比和热定型前的已拉伸的纤维强度，因此，对该温度予以了实验。设定送料滚轮的送料线速度是固定的，在每个拉伸温度下，获得最大拉伸比的加热滚轮（在此实验中，加热滚轮不加热）的线速度则不同。送料滚轮温度设定为20⁰C, 50⁰C, 80⁰C, 110⁰C 和 140⁰C，检查送料滚筒温度对拉伸能力和拉伸强度的影响。实验结果参看图2所示。从图2中可知，拉伸温度对天然蚕丝纤维拉伸比没有明显的影响。最大拉伸比为1.133（送料滚轮线速度15米/分钟,加热滚轮线速度为17米/分钟），对应该最大拉伸比的拉伸强度约420MPa，比未拉伸的蚕丝纤维增加了14%。这表明热拉伸可单独改善天然蚕丝纤维的拉伸强度，但是其改善不明显。在低于110⁰C温度条件下，天然蚕丝纤维拉伸强度没有显著的改善，但是当温度高于110⁰C时，拉伸强度则有极大的降低。110⁰C以上的拉伸强度降低和在110⁰C以上的拉伸比的降低一致。拉伸强度降低的部分原因在于在蚕丝纤维送料滚轮上长时间较高温度下加热时，蚕丝纤维降解所造成。因为为了拉伸时提供足够的摩擦，天然蚕丝纤维在送料滚轮上卷绕数圈（在直径为15厘米的送料滚轮上卷绕约10次），这就导致蚕丝纤维处于较高温度下的时间较长，则易发生降解。由此可知，送料滚轮的温度，即拉伸温度，对天然蚕丝纤维的拉伸能力有较小的改善，因此，为制造装置的简单及容易控制计，在本实施例中，选择室温作为送料滚轮的拉伸温度。当然，为了得到更好的拉伸强度，也可以在110⁰C以下选择送料滚轮的拉伸温度，相应地，蚕丝线在送料滚轮上的缠绕圈数，则需蚕丝线可能发生的降解，依据蚕丝线在送料滚轮的接触时间和送料滚轮的直径来确定，缠绕圈数不能太多。

加热滚轮的温度控制在150⁰C ~230⁰C；在拉伸比控制在1.05~1.3之间；蚕丝线在加热滚轮上缠绕接触时间，即热定型时间为0.5~5秒。在本实施例中，加热滚轮的直径为15厘米。加热滚轮的温度控制在200⁰C，拉伸比为1.133，蚕丝线在加热滚轮上的接触时间约1.7秒。为了将蚕丝线在加热滚轮上的接触时间降低到最小，在加热滚轮上仅缠绕一圈（加热滚轮直径15厘米）。依据热定型温度、加热滚轮的线速度及蚕丝线与加热滚轮的接触时间，确定加热滚轮的直径及蚕丝线在加热滚轮上的缠绕圈数，通常，尽量确定加热滚轮的直径可满足蚕丝线在其上缠绕整数圈，以便很好的进行工艺控制。经PEG涂布的蚕丝线缠绕在送料滚轮上，然后依次缠绕在加热滚轮被拉伸和热定型。由于加热滚轮的线速度比送料滚轮的线速度大，从而给蚕丝线提供了拉伸力，通过控制送料滚轮和加热滚轮的线速度，可以得到不同的拉伸比。在加热滚轮保持一定温度情况下，可以得到最大的拉伸比1.2。加热滚轮对蚕丝线拉伸后立即在加热滚轮上进行热定型。热定型时间必须很短，首先因为一旦被拉伸的蚕丝纤维接触到加热滚轮，在加热滚轮的温度下就会快速发生所期望的晶型结构转变。其次，长时间在高温下，即便有PEG涂布层保护，也会给蚕丝线造成一定的降解。为了确定加热滚轮的温度和拉伸比，进行了以下实验。首先，为了便于实现，将蚕丝纤维染成了桃红色。桑蚕丝纤维的玻璃化温度约175⁰C。据此，设定加热滚轮的温度为100⁰C, 150⁰C, 200⁰C 和 230⁰C。其中两个温度点低于玻璃化温度，两个点高于玻璃化温度点，用于评价热定型温度对拉伸强度的影响。在每个热定型温度下，蚕丝纤维在送料滚轮与加热滚轮之间被不断拉伸，然后快速在加热滚轮上进行热定型。在每个热定型温度下，选择两个拉伸比进行比较，每个工艺条件下进行5次实验。温度从100⁰C改变到 200⁰C，使用的拉伸比为1.067和1.133，设定送料滚轮的线速度为15米/分钟，加热滚轮的线速度为16米/分钟和17米/分钟。在230⁰C时，加热滚轮以同样的16米/分钟 和17米/分钟速度分别进行拉伸热定型，试图加工蚕丝线，但是蚕丝线迅速降解了。可能的原因是热定型温度提高了，但是加热滚轮的速度还比较低，则导致蚕丝纤维长时间与加热滚轮接触，导致其长时间处于高温下导致降解。

为了在该温度下得到稳定的热定型工艺，设定送料滚轮的速度设定24米/分钟，加热滚轮速度设定25米/分钟和26米/分钟，得到相同的拉伸比1.067和1.133。然后在此条件下对蚕丝纤维进行拉伸热定型，可以得到稳定的热定型工艺。参看图3，图3为加热滚轮在不同温度下，在设定的两个拉伸比下的拉伸强度的对比图。由图3中可知，拉伸强度都得到了提高。尤其是在150⁰C~230⁰C之间，不同的拉伸比下，蚕丝纤维的拉伸强度都得到了较大幅度的提高。尤其是在拉伸比为1.133，热定型温度为200⁰C条件下时的平均拉伸强度为最高，平均拉伸强度达到了520MPa以上。由图3中可知，在热定型温度为200⁰C，拉伸比为1.133，蚕丝纤维与加热滚轮接触时间约1.7秒条件下时，蚕丝纤维的拉伸强度平均值最高，达到520MPa左右；在热定型温度为230⁰C，拉伸比为1.067，蚕丝纤维与加热滚轮接触时间约1.1秒条件下时，蚕丝纤维的拉伸强度平均值最高，达到510MPa左右。但是在230⁰C，拉伸比1.133时，蚕丝纤维的拉伸强度却比200⁰C、拉伸比1.133时的低了很多，其最高拉伸强度达到510MPa左右，最低拉伸强度440MPa左右，平均拉伸强度470MPa左右。由此组数据可以看出，拉伸强度测量误差较大；另外，在此组数据中，加热滚轮的线速度最大，蚕丝纤维与加热滚轮接触的时间最短，即热定型时间最短，因此，拉伸强度低的原因可能是热定型时间不够；另外，230⁰C为聚乙二醇的沸点，在此温度下，蚕丝纤维上涂布的聚乙二醇存在部分挥发的可能，降低了对蚕丝纤维的保护力度，蚕丝纤维部分降解所致，这一点从蚕丝纤维的颜色变化可知道，蚕丝纤维最初染为桃红色，在100⁰C时也为桃红色，但在230⁰C时颜色有了些许变化。因此，根据实验数据，本实用新型的工艺的优选条件为热定型温度200⁰C，拉伸比为1.133，热定型时间约1.7秒。热定型温度200⁰C下，经过实验，可知最大拉伸比可达到1.2。下面对选取的最有工艺条件下的蚕丝纤维的机械性能进行了实验比较。参看图4~图7。每个工艺条件下取5个样品进行实验，对拉伸强度和拉伸应变进行了实验。图4工艺条件为测试从线轴上直接取下的天然蚕丝纤维；图5为涂布有PEG涂层的蚕丝纤维在20⁰C仅被拉伸，拉伸比1.067，无热定型；图6为涂布PEG涂层的蚕丝纤维被拉伸，在200⁰C下热定型，拉伸比1.133；图7为涂布PEG涂层的蚕丝纤维被拉伸，在200⁰C下热定型，拉伸比1.2。，从图4可知，直接从线轴上取的天然蚕丝纤维拉伸强度大约370MPa，非常接近文献记载数据。这个拉伸强度数据也用来作为比较参考，比较其他工艺处理过的蚕丝纤维拉伸强度特性。图5为拉伸比1.067时，在环境温度20⁰C下拉伸处理过的蚕丝纤维所得到的拉伸曲线。显示了仅将处理的蚕丝纤维进行拉伸，蚕丝纤维拉伸强度改善到400MPa。它也揭示了，我们所提出的在室温环境温度下，用较小的拉伸比，也能有效改善天然蚕丝纤维的拉伸强度。图6和图7显示，经本实用新型工艺涂布PEG涂层，再被拉伸处理后，在200⁰C下热定型后的拉伸曲线。这两个图均显示其拉伸强度超过了500MPa。图6中拉伸比为1.133时，在200⁰C下热定型，拉伸强度达到了540MPa，5个样品曲线之间的一致性表明该工艺条件下具有很好的稳定性。图7中，拉伸比达到1.2时，在200⁰C下热定型，拉伸强度达到了560MPa。然而，从图7中观察可知，图7中的5个样品的拉伸曲线变化和图6中的5个样品曲线比较来看，图7中的5个样品曲线变化较大。由此可知，在热定型温度200⁰C条件下，拉伸比1.2时得到拉伸特性没有拉伸比1.133时得到的拉伸特性稳定。因此，为了利用该工艺生产高强度的桑蚕丝纤维，首选的工艺条件是热定型温度200⁰C，拉伸比1.133。

3）冷却收集

经PEG涂布后的蚕丝线在送料滚轮和加热滚轮之间进行拉伸后，立即在加热滚轮上进行热定型；热定型后的蚕丝线在冷却后被收集到收集线轮上。收集线轮和加热滚轮的线速度要相同，为了更好进行工艺控制，收集线轮和加热滚轮的直径相同，速度相同。由于加热滚轮与收集线轮之间存在一定的距离，热定型后的蚕丝线在加热滚轮和收集线轮之间移动时，其便可以在室温下进行冷却，等到收集线轮时，已经被冷却。本实用新型的工艺方法通过原料线轴上的蚕丝线通过PEG浴进行PEG涂布，然后再经送料滚轮和加热滚轮被拉伸和热定型后，再被收集至收集线轮上，制造装置结构简单，便于工业化大规模生产。用于制备纺织时的高强度蚕丝纤维纺织纱线。工艺简单，制造装置简单。在本实用新型中，不限于一定使用送料滚轮、加热滚轮这种装置来实现拉伸热定型，只要其他装置能够完成蚕丝纤维的拉伸和立即热定型即可。

在本实用新型中的上述实验及后续实验中，所涉及到的实验材质、实验设备、试验测试方法如下。

蚕丝线有不同的特性，蚕丝线的直径通过对已知长度的蚕丝线进行称重，然后根据蚕丝线密度1.25 g/cm³和长度计算横截面积得到蚕丝线直径数据。在称重前，经涂布PEG后，再拉伸热定型的蚕丝线用乙醇进行快速冲洗去除残留PEG，然后吹干后再进行称重。

使用Instron 5566万能材料试验机测定纱线的拉伸性能。纱线样品缠绕在直径约2毫米木制杆上，纤维末端通过强力胶水粘着固定。使用Instron 2711系列杠杆夹具拉伸，拉伸力设定5N，然后夹住纱线端延伸，速度设定为100毫米/分钟，延伸约10厘米。所有的拉伸试验都是在温度20-22⁰C，相对湿度 40-60%条件下进行。每种纱线中取五个样品测试，然后计算平均值。用平均值的标准误差估算实验误差，实验误差定义为标准误差除以样本数的平方根。

使用R-axis IV++单晶X射线衍射仪获取广角X射线衍射数据(WAXD)，X射线发生器为Rigaku micro Max002 微聚焦X射线发生器（Cu Kα射线, 波长λ=0.154 nm），操作电压45KV，电流0.65mA。对所有样品均曝光时间30分钟。总散射的强度分布通过径向积分消除了空气影响的衍射图案的像素强度，利用布拉格三角函数计算得出。

基本扫描量热法（DSC）数据通过TA仪器公司的差示扫描量热仪 Q200 DSC (仪器厂家TA Instruments)获得。样品放置在密封的铝盘中，在氮气气氛下，以10⁰C/min的加热速率加热。热解重量分析（TGA）实验使用TA公司的TGA5000仪器完成。样品在氮气气氛下被加热到400⁰C，以10⁰C /min的扫描速率扫描。平衡吹扫流量为10毫升/分钟，样品吹扫流量为20毫升/分钟。使用LEO1550型号的扫描电子显微镜（SEM）进行图像采集。为减少电子在样品表面聚集和获得良好的扫描图像，在纱线样品上涂布有金层。

图8为直接从原料线轴上取的原始未拉伸的桑蚕丝线SEM扫描图像，图9为拉伸热定型后蚕丝线SEM扫描图像。由图8和图9的电子显微镜（SEM）扫描图像显示可知，直接从线轴上取下的蚕丝线的直径相对比较大。在蚕丝纤维在热定型温度200⁰C，拉伸比1.133条件下被拉伸热定型处理后，蚕丝线直径变小，蚕丝纤维捻丝后变的更紧密。

广角X射线衍射数据（WAXD）分析，X射线衍射经常被用作分析纤维性材料的晶型结构和分子取向。众所周知，丝素蛋白主要有两种结构形式，α螺旋和无定型结构的蚕丝I型，β折叠结构的蚕丝II型。蚕吐丝得到的天然蚕丝纤维一般是有序排列的蚕丝II型结构。图10至图13为在不同条件下处理的蚕丝线的2D XRD衍射图案。图10为从原料线轴上直接取下的桑蚕丝线，图11为涂布PEG的桑蚕丝线在20⁰C仅被拉伸，没热定型； 图12为桑蚕丝线涂布PEG后被拉伸，在 200⁰C下热定型，拉伸比为1.133；图13为桑蚕丝线涂布PEG后被拉伸，在 200⁰C下热定型，拉伸比 1.2。

图14为蚕丝线在不同条件下处理加工后的大角度X射线衍射图谱。在图14中，a为从原料线轴上直接取下的桑蚕丝线；b为涂布PEG的桑蚕丝线在20⁰C仅被拉伸，没热定型； c为桑蚕丝线涂布PEG后被拉伸，在 200⁰C下热定型，拉伸比为1.133；d为桑蚕丝线涂布PEG后被拉伸，在 200⁰C下热定型，拉伸比 1.2。 从图10中观察可知，天然蚕丝纤维具有好的定向衍射图案，带有一定程度的衍射强度的特有弧光。从图14中可知，未处理的天然蚕丝纤维具有衍射强度的一个环形在图案中对应2Ɵ≈17°的小尖峰。这是没有处理过的天然蚕丝纤维所具有的独一无二的特征。但是在拉伸和热定型处理后，这个峰却消失了。四个样品在2Ɵ≈21°时，四个样品都有一个高强度的尖峰。这个尖峰是β折叠晶型结构（蚕丝II）的特征。没有加工处理的天然蚕丝纤维在2Ɵ≈27°时有另一个强度尖峰，其表明另外一种晶型结构（可能是蚕丝I）存在，其没有在处理过的蚕丝纤维的X光衍射图谱中出现。据此可推断出，晶型结构对应2Ɵ≈17°和 27°角的可能是蚕丝I型。对蚕丝纤维进行适当拉伸和热定型处理后，丝素蛋白分子的晶型结构由蚕丝I型向蚕丝II型（β折叠）转变。另外一个支持从蚕丝I型到蚕丝II型进行晶型转变的证据是在2Ɵ≈24.5°时的尖峰，在处理加工后的所有蚕丝纤维中都显示了该尖峰存在，除了未加工处理的天然蚕丝纤维。由此可以推论出，经过拉伸可以诱导蚕丝纤维的晶型结构转变。热定型也对蚕丝纤维的晶型结构有轻微影响。由图14可知，对应样品a、b、c、d的最高强度尖峰的布拉格角2Ɵ分别是21.64°, 20.80°, 20.53°和20.51°。由图中可发现，经加工处理后的蚕丝纤维有个很小角度的尖峰移动。其主要原因是β折叠的层间间隙有了轻微增加所致，这个移动行为也与在温度高于190⁰C时，β折叠的层间距离逐渐变大相一致。

使用DSC和TGA技术进行在不同条件下处理的蚕丝纤维的结构和热性能进行分析。图15为不同处理条件下得到的蚕丝纤维的DSC温度图谱。这个曲线图描述吸热转化的特性，该吸热转化归因于具有定向β折叠晶型结构的蚕丝纤维的热分解。由图15可知，当蚕丝纤维的处理条件改变了，但是吸热峰的形状和强度没有改变。然而，在拉伸和热定型作用下，尖峰温度向上发生轻微移动，未经处理的蚕丝纤维尖峰处温度为310⁰C，而在200⁰C下热定型，拉伸比1.133条件下处理的蚕丝纤维的尖峰处温度 312⁰C。这个现象应该与经过强度加强处理的蚕丝纤维样品的分子取向和热定型有关系。本实用新型所取得的数据与文献中记载的具有良好定向排序的蚕丝纤维一般在300⁰C以上呈现一个热分解吸热尖峰的描述一致。

TGA为热分解行为方面提供更多信息。TGA测量对象为天然蚕丝纤维和处理后蚕丝纤维。图16中为蚕丝纤维的TGA曲线图：一种为从原料线轴上直接收集的天然蚕丝样品，另一为经拉伸比1.133拉伸，在200⁰C热定型处理的蚕丝纤维样品。由图中可知，在整个温度范围内，两种蚕丝纤维样品的重量百分数减少是相同。温度百分数的导数也常被用于分析两种样品的热分解行为的不同。最大温度T_max（最大分解速率时的温度），即已知的热分解的标准温度，常被用于检测蚕丝纤维的热分解。就未被加工的天然蚕丝纤维来说，T_max 为306⁰C。经拉伸比为1.133拉伸，在200⁰C热定型处理的蚕丝纤维其呈现的最大温度T_max 为306.5⁰C，比未经处理的蚕丝纤维的最大温度略微增加了0.5⁰C。这个微小不同标明其没发生重大变化；然而，它可能表明热降解和热稳定性在某种程度上受到了拉伸和热定型的影响，这与DSC关于蚕丝纤维热降解的结论具有一致性。

在本实用新型中，开发了对于增强天然蚕丝纤维的拉伸强度，获得高强度、连续的蚕丝纤维的处理工艺。尤其是，在本工艺中，天然蚕丝纤维被拉伸后立即进行热定型处理可以得到高强度的蚕丝纤维。该工艺使用捻丝后的天然蚕丝纤维线，利用PEG涂层作为保护涂层将热降解减低到最小。对于高强度蚕丝纤维的拉伸和热定型的工艺条件从一系列实验中已经确定。本实用新型的天然蚕丝纤维在环境温度下拉伸后，然后立即在200⁰C温度下进行热定型能生产出高强度的蚕丝纤维。其拉伸强度和杨氏模量明显比未经处理的天然蚕丝纤维的高。根据X射线衍射图谱中推论可知，从蚕丝I型向蚕丝II型的晶型转变也有可能在工艺处理过程中发生。通过DSC和TGA测试也为拉伸和热定型对蚕丝纤维的影响提供了证据支持。本实用新型的所有实验结论表明，本实用新型的工艺用将天然的桑蚕丝经捻丝成蚕丝线线后对其进行拉伸热定型的的制备工艺能够获得高强度的蚕丝纤维，且该工艺生产高性能高品质蚕丝纤维适合工业化大规模生产。

Claims (5)

1.一种获取高强度蚕丝纤维的制备装置，其特征在于包括缠绕经捻丝得到的蚕丝线的原料线轴，在所述原料线轴一侧依次设置有聚乙二醇浴箱、送料滚轮、加热滚轮、收集线轮；所述送料滚轮、加热滚轮和收集线轮间隔距离分别安装在支架上并分别由驱动装置驱动转动；在所述加热滚轮内部设置有加热装置；所述原料线轴上的蚕丝线通过所述聚乙二醇浴箱涂布聚乙二醇后依次缠绕在所述送料滚轮和所述加热滚轮上，通过所述送料滚轮和所述加热滚轮对所述蚕丝线进行拉伸，同时，通过所述加热滚轮对所述拉伸后的蚕丝线进行热定型；经拉伸热定型后的蚕丝线冷却后收集在所述收集线轮上；所述加热滚轮和所述收集线轮的线速度相同。

2.根据权利要求1所述的获取高强度蚕丝纤维的制备装置，其特征在于在所述聚乙二醇浴箱内设置有对所述蚕丝线的限位装置，所述限位装置保证所述蚕丝线从聚乙二醇溶液中通过。

3.根据权利要求1所述的获取高强度蚕丝纤维的制备装置，其特征在于所述送料滚轮、加热滚轮和所述收集线轮的外径相同。

4.根据权利要求3所述的获取高强度蚕丝纤维的制备装置，其特征在于所述送料滚轮、加热滚轮和所述收集线轮的外径为15厘米。

5.根据权利要求1所述的获取高强度蚕丝纤维的制备装置，其特征在于在所述送料滚轮内设置有加热装置。