莫晓璇　刘福娟

摘 要：蚕茧作为具有特殊几何特性的天然材料，表现出了优异的性能，在仿生应用领域中是良好的参考模型。从仿生学的角度出发，对两种代表性蚕茧做了全面的测试和比较，对茧壳的尺寸、各层级的表面形貌、蚕丝直径、孔隙率、透气性、力学性能和热传导性能进行了表征、分析和总结。基于对蚕茧层级和性能的研究，仿生设计了一种层级结构，可应用于隔热服上，使其具有良好隔热性能和透气透湿性能。当外界温度发生骤降时，能够使温度缓慢变化到达人体，并接近体温，避免了高温给人体带来的不适。

关键词：蚕茧;性能研究;层级结构;仿生设计;隔热服

中图分类号：TS101.8

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2021）05-0001-07

Structural Performance Analysis of Cocoons and their Bionic Design

MO Xiaoxuan， LIU Fujuan

（College of Textile and Clothing Engineering， Soochow University， Suzhou 215123， China）

Abstract： As a natural material with special geometric characteristics， the silkworm cocoon shows excellent performance and is regarded as a good reference model in the field of bionic applications. From the perspective of bionics， this article has made comprehensive tests and comparisons on two representative silkworm cocoons. The sizes of the cocoons， the surface morphology of each layer， the silk diameter， porosity， air permeability， mechanical properties and thermal conductivity were characterized， analyzed and summarized. Based on studies on the layers and performances of silkworm cocoons， this paper designs a hierarchical structure that can be applied on the proximity suit bionically， so that it can have good heat insulation performance， air permeability and moisture permeability. When the external temperature drops sharply， it makes the temperature slowly change to the human body， and approaches the body temperature， which avoids the discomfort caused by high temperature to the human body.

Key words： cocoon; performance research; hierarchical structure; bionic design; proximity suit

蚕茧是天然材料，具有明显的多层结构，可分为茧衣、茧层和茧衬三部分，且各部分的性能均不相同，其特殊且复杂的结构和优异的特性被应用在纺织、环境工程、建筑学和生物医学等许多领域[1-5]。蚕茧的多层结构以及高孔隙率，可以归因于杂乱的非织造结构[6]。特殊的层级结构和孔隙提供了独特的多级水分传递路径，因此具有了良好的水分缓冲效果[7]。此外，蚕茧除了具备高透气透湿的特点外还拥有显著的温度调节功能[8]。轻且薄的茧层使蚕蛹能够在极端环境下生存，而这一现象引起了研究者们的兴趣。近年来，Chen等[9]研究了27种蚕茧的结构和形态;Du等[10]研究了蚕丝对微观结构和力学性能的影响;Guan[11]提出了蚕丝纤维复合材料的破坏机理和不同的破坏模式;Roy等[12]观察到二氧化碳通过茧层的定向转移，为蚕蛹的生存提供了有利的环境。此外优异的力学性能使蚕茧成为仿生工程应用领域良好的模型[9，13-15]。了解蚕茧的结构、性能和功能之间的关系将为设计具有良好热湿舒适性的防护服装材料提供灵感和思路。

以两种代表性蠶茧（桑蚕茧和柞蚕茧）的茧壳为研究对象，并对其进行了测试。通过采集蚕茧图像并进行椭圆拟合，基于微积分化曲为直的思想，将蚕茧模型近似为长椭球状的等效阶梯柱面模型，从而建立对应的坐标系。对两种蚕茧壳的规格、各层形貌、孔隙率、透气性、力学性能以及热传导性能进行了表征和分析。并在此基础上进行了基于蚕茧结构的仿生设计，设计了一种能使隔热服具有良好隔热性能和透气透湿性能的层级结构，能够使环境温度缓慢变化到达人体，不至于感觉忽冷忽热。

1 实 验

1.1 蚕茧的基本规格

1.1.1 建立蚕茧的研究模型

根据孙卫红等[16]的基于等效阶梯柱面模型的蚕茧表面图像展开方法，建立了一个长椭球状的蚕茧等效模型。将蚕茧的径向和轴向分别设为0°和90°，便于观察分析不同方向上蚕茧茧壳的性能。蚕茧的等效模型如图1，其中D1为纵幅，D2和D3都为横幅。

1.1.2 蚕茧的基本参数

若蚕茧的品种、产地、气候条件以及饲料不同，茧壳颜色、厚度和性能也会有所差异。对桑蚕茧和柞蚕茧两个品种蚕茧的茧壳规格进行测量，主要有3个表征参数，分别是纵幅、横幅和厚度。每种蚕茧随机抽取10个样品，每个样品分别测量5次。

1.2 蚕茧茧层形貌表征

采用台式扫描电子显微镜（Hitachi TM3030）对各级茧层的形貌进行观察。各级的茧丝纤维直径可以通过Image J软件进行测量，各层蚕丝纤维测试50次，计算平均值和标准偏差。

1.3 力学性能表征

通过万能材料试验机（Instron-5967）测试了两种蚕茧茧壳的力学性能，在0°、45°和90°方向上螺旋式剪取条状式样，长40mm，宽10mm，加持距离20mm，拉伸速度20mm/min。每种蚕茧在各个方向上分别测试10次，并取平均值。

1.4 孔隙率测试

通过吸液法测试蚕茧的孔隙率，测试5次，取平均值。其孔隙率P的计算方法见式（1），其中正丁醇的密度为0.808 g/cm3。

P/%=M/ρM/ρ+M′/ρ′×100（1）

式中：M為蚕茧吸收的正丁醇质量，g;M′为蚕茧烘干后的质量，g;ρ为正丁醇密度，g/cm3;ρ′为蚕茧的密度，g/cm3。

1.5 透气性能测试

将蚕茧置于全自动气量仪（YG461E-Ⅲ）上测试其透气性，测试面积5cm2，压力差100Pa，每种蚕茧茧壳的茧身和头端正反面各测试3次，求取平均值。

1.6 蚕茧热传导性能

使用Temp&Hum Chamber T/C1000-70测试两种蚕茧茧壳的热传导性能。降温实验温度从50℃降到20℃，降温速率2.5℃/min，并绘制其降温曲线。

2 讨论与结果

2.1 蚕茧外观形貌

图2显示了两种蚕茧的形貌，通过图2可以清晰地看出，桑蚕茧呈现白色，而柞蚕茧呈现深棕色。蚕茧多为中端粗，两端钝的长椭圆形。两种蚕茧的外层都有一层较为稀疏的茧衣包裹着，其中柞蚕茧的外茧衣有较多的褶皱，这是因为相比于桑蚕茧，柞蚕茧的生存环境会接触到更多的阳光，较高的温度使外层丝干燥较快，收缩大[17]。柞蚕茧除了茧衣、茧层、蚕蛹和蜕皮之外，还有独特的茧柄构造。

蚕茧的规格差异跟品种和饲养环境有着很大的联系。通过对蚕茧的纵幅和横幅的测量得到表1。从表1可知柞蚕茧的体积较大，但在厚度上与桑蚕茧相近。

2.2 蚕茧茧层形貌表征

蚕茧是具有多孔层级结构的天然材料，通过丝胶来实现层与层之间的黏合。将蚕茧茧壳进行分层发现，桑蚕茧可分成8层，而柞蚕茧可分成5层。桑蚕茧、柞蚕茧的各层电镜分别如图3、图4所示。

图3、图4分别展示了桑蚕茧和柞蚕茧各层的表面形貌，按照字母排列的顺序各层从外往内依次排列，a为最外层。由图3、图4可以发现，无论是桑蚕茧还是柞蚕茧，茧丝都是由两根单丝组成，其外层由丝胶包裹。从外层往内层看，蚕丝越来越均匀，并且其结合程度越来越致密，孔洞也越来越少。此外，观察图4中a右上角可以发现，柞蚕茧最外层表面附着了草酸钙晶体，尤其是柞蚕丝纤维相互交叉的缝隙里。这些晶体的存在增加了柞蚕茧在野外存活的概率[12，18]。草酸钙是蚕在结茧过程中留下的排泄物，有助于茧的耐水性，具有控制气体进出茧壳的功能。此外，该物质分布在蚕茧外层，能够有效地吸收紫外辐射，为柞蚕茧提供了抵御外界侵害和恶劣环境的能力。

为了进一步观察各层的蚕丝直径变化，采用Image J软件对蚕丝直径进行测量。测量结果和直径变化趋势如图5所示。从图5可得，桑蚕丝比柞蚕丝细，并且在蚕丝的均匀性上也有一定的优势。两种蚕茧的直径随着层数由外到内呈现整体减小的趋势，而最外层a的平均直径相比于b、c两层都要小，是因为蚕吐丝由外层渐及内层，层层茧丝干燥并收缩，最外层的茧衣排列较为凌乱，茧丝纤维细且脆[19-20]。

2.3 蚕茧力学性能表征

作为蚕到蚕蛾的蜕变过程中重要的囊形保护层，蚕茧应该具备良好的力学性能，以避免天敌或猎食者的攻击，起到保护作用[21]。因此，测试了两种蚕茧在3个方向上的力学性能，图6分别展示了两种蚕茧在0°、45°和90°方向上的应力-应变曲线，表2为统计结果。

由表2可知，柞蚕茧的断裂强度和断裂伸长要远远大于桑蚕茧，最高的强度达到了66.07MPa，最大伸长能达到39.30%，可见柞蚕茧是一种韧性和高强兼备的天然材料。两种蚕茧在0°方向的断裂强度为3个方向上最优，这是由于在该方向上蚕茧的自然曲率最大，可承受的外力大。此外，每个方向上不同的断裂伸长和断裂强度也与该处的曲率有关系。

2.4 蚕茧孔隙率表征

蚕茧内层具有孔隙，这些孔隙保证着蚕茧内部的蚕蛹能够正常呼吸，进行气体交换[22]。通过吸液法测量蚕茧的孔隙率，其原理是将蚕茧吸收正丁醇的体积转化为孔隙的体积，从而根据蚕茧的密度来计算孔隙率的一种方法。剪取20 mm×20 mm规格大小的蚕茧，测量其厚度，并称量烘干后的质量，得出蚕茧茧壳的平均密度。两种蚕茧的密度和孔隙率结果见表3。

从表3中可以看出，柞蚕茧的密度大于桑蚕茧，几乎接近2倍。孔隙率是指蚕茧中孔隙的体积与蚕茧总体积的比值，孔隙率越大，说明气体透过茧层的几率越大，透气性越好。桑蚕茧的孔隙率大于柞蚕茧，也进一步说明了桑蚕茧的透气性比柞蚕茧好。

2.5 蚕茧透气性能表征

气体分子穿透材料的性能称作透气性，通常用透气率来表征。测试部位为蚕茧茧身和头端的正反面。采用如图7的4种测试方式，图7（a）、图7（b）分别测量了柞蚕茧茧身正、反面的透气性，图7（c）、图7（d）分别测量了柞蚕茧头端正、反面的透气性。但由于桑蚕茧头端尺寸太小，无法进行测量，因此没有列出桑蚕茧头端正反两面的透气性数据。

图8为蚕茧透气性能测试结果。从图8中可以看出两种蚕茧茧身的透气性明显要好于头端，反面的透气性要优于正面，气体流出的速度低于进入的速度，在保证气体循环的同时形成隔热层，因此蚕茧具有优异的保暖性。透氣性越小，保暖性越好。桑蚕茧的透气率要高于柞蚕茧，与孔隙率结果吻合。

2.6 蚕茧热传导性能

图9描述了降温过程中茧内的温度变化，可以看出当环境温度从50℃降低到20℃时，茧内部的温度变化缓慢，这表明茧层具有一定程度的温度缓冲作用。在降温过程中，柞蚕茧拥有较大的温度滞后性，表现出了较大的热阻。在经过一段时间的缓冲后，茧的内部温度趋于环境温度。热导率与厚度有一定关系，但在本实验中，两种蚕茧的厚度近似（见表1），可排除该因素。此外，Hieber[23]表明，茧壁的大小在其热防护中也起着至关重要的作用。柞蚕茧内部足够大的体积使其具有更好的热缓冲能力。总之，优异的隔热性能归功于它的层级结构。

2.7 基于蚕茧层级结构的仿生设计

通过以上对蚕茧结构和性能的研究，设计了一款具有蚕茧层级的隔热服结构，如图10所示。隔热层采用蚕茧状层级结构，外层的纱线/纤维细度大于内层的纱线/纤维细度，其排列分布由外往内越来越致密，且隔热层需要有一定的厚度。因此，当外界突然降温时，高温气体通过蚕茧状层级结构时，瞬时产生一定的热阻，温度呈现“曲折路径”[22]逐级降低的趋势，且降温的速度相较外界的温度变化更加缓慢，直至与人体温度相近，并且一直维持人体温度。此外，各层级间的孔洞为气体提供了流通通道，保证蚕茧具有透气透湿性能。

3 结 论

通过对桑蚕茧和柞蚕茧两种代表性蚕茧茧壳结构和性能的测试与分析，得出以下结论：

a）桑蚕茧和柞蚕茧都显示出较好的孔隙率和平均透气率，具有良好的保暖性。

b）柞蚕茧的力学性能明显优于桑蚕茧，其中柞蚕茧的断裂强力高达66.07MPa;热传导实验结果可以看出，两种蚕茧具有一定程度的温度缓冲作用，且柞蚕茧的热阻比桑蚕茧大。

c）仿生设计了一种与蚕茧层级相似的特殊结构，其能使隔热服兼备优异的隔热性能和透气透湿性能。

参考文献：

[1]HUANG W W， LING S J， LI C M， et al. Silkworm silk-based materials and devices generated using bio-nanotechnology [J]. Chemical Society Reviews， 2018，47（17）：6486-6504.

[2]SOMMER M R， SCHAFFNER M， CARNELLI D， STUDART A R. 3D Printing of Hierarchical Silk Fibroin Structures [J]. Acs Applied Materials & Interfaces， 2018，8（50）：34677-34685.

[3]余博文，肖信香，朱文清，等.柞蚕茧耐酸碱性能研究[J].武汉纺织大学学报，2015，28（6）：6-9.

[4]WEGST U G K， BAI H， SAIZ E， et al. Bioinspired structural materials [J]. Nature Materials， 2015，14（1）：23-36.

[5]TAO H， KAPLAN D L， OMENETTO F G. Silk materials： A road to sustainable high technology [J]. Advanced Materials， 2012，24（21）：2824-2837.

[6]KWAK H W， EOM J， CHO S Y， et al. High-toughness natural polymer nonwoven preforms inspired by silkworm cocoon structure [J]. International Journal of Biological Macromolecules， 2019，127：146-152.

[7]ZHOU B， WANG H L. Structure and functions of cocoons constructed by eri silkworm [J]. Polymers， 2020，12（11）：2701，

[8]YU K， LAN G， LU B， et al. Evaluation of artificial skin made from silkworm cocoons [J]. Journal of Materials Science， 2017，52（9）：5435-5448.

[9]CHEN F J， PORTER D， VOLLRATH F. Morphology and structure of silkworm cocoons [J]. Materials Science and Engineering C， 2012，32（4）：772-778.

[10]DU S， LI J L， ZHANG J， WANG X G. Microstructure and mechanical properties of silk from different components of the Antheraea pernyi cocoon [J]. Materials & Design， 2015，65：766-771.

[11]GUAN J， ZHU W S， LIU B H， et al. Comparing the microstructure and mechanical properties of Bombyx mori and Antheraea pernyi cocoon composites [J]. Acta Biomaterialia， 2017，47：60-70.

[12]ROY M， MEENA S K， KUSURKAR T S， et al. Carbondioxide gating in silk cocoon [J]. Biointerphases， 2012，7：1-4.

[13]CHEN F J， PORTER D， VOLLRATH F. Structure and physical properties of silkworm cocoons [J]. Journal of The Royal Society Interface， 2012，9（74）：2299-2308.

[14]CHEN F J， PORTER D， VOLLRATH F. Silk cocoon（Bombyx mori）： Multi-layer structure and mechanical properties [J]. ACTA Biomaterialia， 2012，8（7）：2620-2627.

[15]CHEN F J， PORTER D， VOLLRATH F. Silkworm cocoons inspire models for random fiber and particulate composites [J]. Physical Review E， 2010，82（4）：1-6.

[16]孙卫红，廖艺真，梁曼，等.蚕茧表面图像等效阶梯柱面展开[J].中国图象图形学报，2020，25（3）：498-506.

[17]李梦茹.基于柞蚕茧繭层微结构的仿生复合保温纺织品的设计与研究[D].武汉：武汉纺织大学，2017.

[18]肖信香，余博文，朱文清，等.天然柞蚕茧基本性能研究[J].武汉纺织大学学报，2015，28（3）：5-9.

[19]丝绸文化与产品编写组.蚕丝的来源（2）：蚕茧的形成[J].现代丝绸科学与技术，2017，32（4）：34-35.

[20]黄国瑞.蚕茧为什么会有缩皴？[J].蚕桑通报，1982（2）：58-59.

[21]ZHANG J， KAUR J， RAJKHOWA R， et al. Mechanical properties and structure of silkworm cocoons： A comparative study of Bombyx mori， Antheraea assamensis， Antheraea pernyi and Antheraea mylitta silkworm cocoons [J]. Materials Science and Engineering C， 2013，33（6）：3206-3213.

[22]HORROCKS N P C， VOLLRATH F， DICKO C. The silkmoth cocoon as humidity trap and waterproof barrier [J]. Comparative Biochemistry and Physiology a-Molecular & Integrative Physiology， 2013，164（4）：645-652.

[23]HIEBER C S. The insulation layer in the cocoons of Argiope aurantia [J]. Journal of Thermal Biology， 1985，10（3）：171-175.

收稿日期：2020-09-10 网络出版日期：2021-04-16

基金项目：中国纺织工业联合会科技指导性项目（2019010）;南通市科技计划项目（JC2019009）

作者简介：莫晓璇（1996-），女，浙江杭州人，硕士研究生，主要从事仿生纺织品方面的研究。

通信作者：刘福娟，E-mail：liufujuan@suda.edu.cn