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羊毛纤维是一多细胞复合体,主要由鳞片细胞和皮质细胞堆砌而成,这些细胞都是通过细胞间质(cell membrane complex,CMC)粘合而构成完整的羊毛纤维。可见,细胞间质是羊毛纤维中唯一的连续相,因此,它的结构必将直接影响和制约羊毛纤维的力学行为。但是,在传统的羊毛纤维变形理论中,都是依据蛋白质大分子的构象、分子间的作用等来论述羊毛纤维的变形规律和机理,而对细胞间质在变形过程中表现的力学行为并未述及,所以对于羊毛纤维在拉伸变形中的行为研究就显得极为重要。
本课题采用傅里叶红外光谱仪、偏振光谱仪及拉曼光谱仪对不同拉伸率羊毛(0%、30%、50%)的二硫键、大分子的取向结构及分子构象情况的变化进行了测试;并通过透射电子显微镜对不同拉伸率羊毛(O%、30%、50%)和甲酸处理羊毛中细胞间质的变化情况进行了观察分析;最终建立四元件非线性物理模型描述不同条件下的羊毛纤维拉伸应力一应变曲线变化规律。
通过光谱测试分析表明,拉伸作用使得羊毛纤维的胱氨酸二硫键发生断裂,且拉伸比越大,二硫键断裂越多;在拉伸过程中,羊毛大分子构象发生了变化,随着拉伸率的增大,分子肽链取向变化不大;通过对拉曼光谱上酰胺I带的谱线分峰拟合面积的比较可以看出,随着拉伸率的增大,羊毛纤维中a-螺旋含量减少,β折叠和无规卷曲含量增加,β转角的百分含量没有明显的变化趋势,即拉伸作用使得羊毛纤维大分子构象发生了从a-螺旋构象向β折叠构象的转变:通过透射电子显微镜观察发现细胞间质是羊毛纤维的力学薄弱区,其中皮质层中的细胞间质的结合力大于鳞片细胞之间的,细胞间质具有一定的粘结强力;随着拉伸率的增大,细胞间质中β层断裂较明显,且δ层相对于β层力学性质较弱,细胞间质整体结构由于拉伸挤压而伸直趋向于平行;经甲酸处理后部分β层物质被溶解,细胞间质区被破坏。采用四元件非线性模型对羊毛拉伸应力.应变曲线进行模拟,Origin软件进行拟合分析结果表明,其相关系数达到0.9左右。
本文的研究分析表明,在羊毛的拉伸变形中,不仅存在有二硫键、氢键的断裂及a-螺旋构象向β-折叠构象的转变,同时细胞间质从拉伸开始到纤维断裂不仅自身进行变形而且协同细胞共同运动,完成纤维的拉伸、变形及断裂过程。