再生絲素蛋白水溶液的干法紡絲及后處理研究.pdf

1、蜘蛛絲的力學(xué)性能比大部分的合成纖維更加優(yōu)異，是迄今為止最強(qiáng)韌的材料之一。而且蜘蛛絲的生產(chǎn)工藝非?！暗吞辑h(huán)?！?，只需在常溫常壓下以水為溶劑在空氣中直接成絲，整個(gè)過(guò)程所需原料也都是可再生的。蜘蛛絲優(yōu)異的性能是由其化學(xué)結(jié)構(gòu)和紡絲工藝共同決定的。然而，和蠶不同的是，由于蜘蛛同類相食無(wú)法大量飼養(yǎng)，所以無(wú)法通過(guò)天然的方法獲得大量蜘蛛絲。因此人們一直對(duì)模仿蜘蛛的紡絲過(guò)程從而人工制備蜘蛛絲有著濃厚的興趣。在過(guò)去的十幾年中，全世界掀起了一股采用基因工程法

2、制備重組蜘蛛絲蛋白的浪潮。然而該方法仍存在著幾個(gè)難題。首先，重組蜘蛛絲蛋白的分子量太小，大多數(shù)只有天然蜘蛛絲蛋白分子量的三分之一甚至更少；其次，基因載體對(duì)外來(lái)蜘蛛絲蛋白基因產(chǎn)生排斥，會(huì)導(dǎo)致重組蜘蛛絲蛋白變性，從而使目前重組蜘蛛絲蛋白的水平仍然偏低；最后，基因工程蛋白成本太高，甚至無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)室使用需求。
　　 由于沒(méi)有足夠的天然或重組的蜘蛛絲蛋白，因此必須找到一種適當(dāng)?shù)奶娲飦?lái)進(jìn)行仿生紡絲的研究。最終很多學(xué)者選擇蠶絲蛋白作為模型

3、替代蜘蛛絲蛋白以進(jìn)行仿生紡絲研究。這是因?yàn)樾Q絲與蜘蛛絲的成絲過(guò)程比較相似，而且絲素蛋白與蜘蛛絲蛋白的氨基酸組成也比較接近。研究表明在一定條件下，蠶絲的機(jī)械性能甚至可與蜘蛛絲媲美。另外，與蜘蛛絲蛋白不同，人們可以非常容易地獲得大量的蠶絲蛋白以滿足研究需要。因此本論文以再生絲素蛋白水溶液為模型進(jìn)行了干法紡絲的研究，并探索了后處理方法和條件以提高再生絲素蛋白纖維的力學(xué)性能。
　　 在再生過(guò)程中，絲素分子會(huì)發(fā)生一定程度的降解，且絲素分子

4、的分子量對(duì)于再生紡絲液的穩(wěn)定性、可紡性以及再生纖維微結(jié)構(gòu)有較大的影響，因此準(zhǔn)確測(cè)量降解后絲素蛋白的分子量是十分必要的。本論文開(kāi)發(fā)了一種使用聚乙二醇(PEG)6000作為篩分介質(zhì)的無(wú)膠篩分毛細(xì)管電泳法(NGSCE)以測(cè)量再生絲素蛋白的分子量。PEG6000可以降低絲素蛋白對(duì)毛細(xì)管壁的吸附，并在毛細(xì)管內(nèi)互相纏繞形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而對(duì)絲素蛋白分子進(jìn)行篩分。測(cè)試結(jié)果表明，采用本方法制備的再生絲素蛋白中少量絲素蛋白分子量分布在32.7和58.5 k

5、Da附近，大部分分子的分子量在75.3至91.7 kDa的范圍內(nèi)，其中83.8 kDa附近含量最高。該結(jié)果與十二烷基硫酸鈉聚丙烯酰胺凝膠電泳法(SDS-PAGE)測(cè)試得到的分子量分布結(jié)果是相似的，同時(shí)NGSCE法對(duì)于低含量分子也更加敏感。該方法的電泳緩沖液由PEG、三羥甲基氨基甲烷（Tris）和十二烷基硫酸鈉(SDS)組成。同一電泳緩沖液下，三種標(biāo)樣蛋白的分子量和遷移時(shí)間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系和重復(fù)性。但是實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)電泳緩沖液會(huì)隨著時(shí)間慢慢

6、發(fā)生一些變化，有必要每周更換緩沖液并重新標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)曲線。更換毛細(xì)管時(shí)也必須重新標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)曲線。本方法需樣量少、耗時(shí)少、重復(fù)性好，為研究仿生紡絲過(guò)程中分子量的影響，提供了方便手段。
　　 本論文采用與蠶和蜘蛛紡絲相一致的干法紡絲工藝，通過(guò)自制的毛細(xì)管紡絲裝置從以水為溶劑的紡絲液中成功地制備了再生絲素蛋白纖維。與報(bào)道較多的濕法紡絲不同，本論文采用的干法紡絲更加環(huán)保而且成本更低。相比傳統(tǒng)的氣壓式干法紡絲裝置，新裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所需紡絲液少，

7、且適用于多種紡絲液（pH=4.8-6.9，多種金屬離子）在更大的長(zhǎng)徑比(40-133)條件下進(jìn)行紡絲。本論文還采用流變的方法研究了再生絲素蛋白的分子量、pH、金屬離子、絲素濃度和紡絲條件對(duì)紡絲液可紡性的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在本論文條件下，再生絲素蛋白分子量范圍約為20-100 kDa，遠(yuǎn)小于天然絲素蛋白分子量。而且在本論文條件下，再生絲素蛋白的分子量太高會(huì)降低紡絲液的可紡性，適當(dāng)?shù)亟档头肿恿坑欣谥苽湓偕z素蛋白纖維。通過(guò)適當(dāng)?shù)臐饪s，pH在

8、4.8-6.9范圍內(nèi)的紡絲液(Ca2+離子濃度均為0.3 mol/L)都可用成功制備再生絲素蛋白纖維，不同pH紡絲液的紡絲濃度和可紡性相差不大。紡絲液的流變測(cè)試結(jié)果表明，隨著pH的降低，紡絲液的松弛時(shí)間增加。不同金屬離子對(duì)再生紡絲液的可紡性影響很大，只添加Ca2+離子的再生絲素蛋白水溶液松弛時(shí)間較小，可紡性較好，動(dòng)態(tài)流變曲線比較平滑；而添加Mg2+離子和K+離子的紡絲液松弛時(shí)間較大，可紡性較差，動(dòng)態(tài)流變曲線波動(dòng)較大。再生絲素蛋白水溶液最

9、佳的可紡濃度為44.2-48.1％（用稱重法測(cè)量），該范圍大于蠶體內(nèi)的可紡濃度。濃度低于39.8％的紡絲液在進(jìn)行動(dòng)態(tài)流變測(cè)試時(shí)始終呈現(xiàn)粘彈性液體狀態(tài)，無(wú)法進(jìn)行干法紡絲。而當(dāng)濃度高于55％時(shí)，由其動(dòng)態(tài)流變曲線可知，紡絲液在較低角頻率條件下就易由粘彈性液體狀態(tài)向粘彈性固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而使紡絲液的可紡性變差。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)表明，所有可紡的再生絲素蛋白紡絲液的松弛時(shí)間均小于0.01s；在此范圍內(nèi)，松弛時(shí)間越小，溶液的可紡性越好;松弛時(shí)間

10、越大，溶液的可紡性越差。松弛時(shí)間可作為簡(jiǎn)單判斷紡絲液可紡與否的一種依據(jù)。盡管本文的干紡方法與蠶和蜘蛛的吐絲過(guò)程比較相似，但也有一些不同。首先再生絲素蛋白結(jié)構(gòu)與天然絲素蛋白結(jié)構(gòu)有所不同，其次目前的紡絲尚不是液晶紡絲，所以初生絲的取向度低，β-折疊構(gòu)象含量也較低。盡管增加毛細(xì)管長(zhǎng)徑比或增大卷繞速度均可明顯提高初生絲的力學(xué)性能，但是其斷裂強(qiáng)度絕對(duì)值要遠(yuǎn)小于天然蠶絲。
　　 為了解決再生絲素蛋白初生絲力學(xué)性能不佳的問(wèn)題，本論文對(duì)初生絲進(jìn)

11、行了后處理探索，試圖通過(guò)后處理提高纖維的力學(xué)性能。在總結(jié)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本論文研究了兩類后處理劑（醇-水溶液體系和無(wú)機(jī)鹽水溶液體系）對(duì)再生絲素纖維構(gòu)象和力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)醇-水溶液體系可以顯著地促使初生絲構(gòu)象從無(wú)規(guī)卷曲/α-螺旋構(gòu)象向β-折疊構(gòu)象轉(zhuǎn)變。而無(wú)機(jī)鹽水溶液體系中只有硫酸銨可以微弱地促使初生絲產(chǎn)生這種構(gòu)象轉(zhuǎn)變。經(jīng)過(guò)醇-水溶液體系處理的絲素蛋白纖維力學(xué)性能較大幅提高。本論文還研究了兩種不同后處理方法對(duì)初生絲性能的影響。結(jié)果表明

12、，相比于方法A（將初生絲在后處理劑中浸泡1h，然后在蒸氣浴中拉伸2倍），方法B（將初生絲在后處理劑中拉伸2倍，然后再浸泡1h）能夠更加有效的促進(jìn)纖維形貌、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的改善。對(duì)乙醇-水和異丙醇-水體系而言，采用方法B處理過(guò)的纖維具有和脫膠絲一樣的光滑表面，而對(duì)甲醇-水體系和硫酸銨水溶液而言，采用方法B處理過(guò)的纖維的表面非常褶皺。通過(guò)對(duì)比，樣品Et-D-I-B（將初生絲在乙醇-水中拉伸2倍，然后再浸泡1h得到的纖維）的各種性能最佳，其斷

13、裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率可以分別達(dá)到199.2 MPa和55.4％。盡管其斷裂強(qiáng)度低于天然脫膠絲，但是其斷裂伸長(zhǎng)率高于脫膠絲。樣品Et-D-I-B較高的斷裂伸長(zhǎng)率也表明其能夠被進(jìn)一步拉伸。本論文認(rèn)為樣品Et-D-I-B斷裂強(qiáng)度比天然絲差可能是由于Et-D-I-B的結(jié)晶和取向結(jié)構(gòu)沒(méi)有天然蠶絲完善，晶區(qū)之間尚存在一定量的卷曲的無(wú)定形態(tài)的絲素蛋白分子未被拉伸。而蠶采用的是液晶紡絲，在液態(tài)時(shí)分子已排列整齊并有一定程度取向以后才開(kāi)始紡絲，所以結(jié)晶結(jié)構(gòu)完

14、善、取向度高。使用80vol％乙醇-水做后處理劑，采用在后處理劑中先拉伸2倍后浸泡1h的方法制備的纖維性能較初生絲大幅提高，而且存在進(jìn)一步提高的空間。
　　 為了進(jìn)一步提高纖維的力學(xué)性能，摸索最佳處理?xiàng)l件，本論文選擇80vol％乙醇-水溶液作為后處理劑，研究了拉伸倍數(shù)和浸泡時(shí)間對(duì)纖維力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，隨著拉伸倍數(shù)的增加，纖維的力學(xué)性能和取向度增加;相同的浸泡時(shí)間下（90分鐘），不同拉伸倍數(shù)(1～3倍)的后處理纖維的

15、β-折疊構(gòu)象含量相近。將纖維拉伸3倍后，在后處理劑中浸泡1至120分鐘得到纖維的力學(xué)性能測(cè)試和紅外光譜的定量分析表明，隨著浸泡時(shí)間的增加，后處理纖維的斷裂強(qiáng)度和β-折疊構(gòu)象含量均呈現(xiàn)出開(kāi)始時(shí)快速增長(zhǎng)，而后緩慢增長(zhǎng)，90分鐘后最終趨于恒定的特點(diǎn)。因此本論文暫選的最佳處理?xiàng)l件為，在80vol％乙醇-水溶液中對(duì)纖維進(jìn)行3倍拉伸，然后在其中浸泡90分鐘。得到的再生絲素蛋白纖維直徑均勻，表面光滑，而且比天然脫膠絲更加強(qiáng)韌。后處理纖維的斷裂強(qiáng)度可以

16、達(dá)到301 MPa，接近天然脫膠絲。盡管后處理再生絲素蛋白的分子量大大低于天然絲素分子，但是其斷裂強(qiáng)度幾乎相同，斷裂能更是天然脫膠絲的2.4至3.8倍，這表明分子量不是影響再生絲素蛋白纖維力學(xué)性能的主要因素，而二級(jí)結(jié)構(gòu)才是主要因素。本論文還采用最佳條件對(duì)從不同pH(4.8、5.2、5.6、6.0)的再生絲素蛋白水溶液制備的初生絲進(jìn)行處理。結(jié)果表明紡絲液的pH對(duì)后處理纖維的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響非常有限，從不同pH紡絲液制備的初生絲經(jīng)處理過(guò)后