金屬納米材料對家蠶蠶絲結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響.pdf

1、蠶絲是我國古代著名的文明產(chǎn)物，素有“纖維皇后”的美譽。蠶絲織品精美絕倫、馳名中外，更是造就了舉世聞名的“絲綢之路”。蠶絲蛋白無毒無害，具有良好的生物兼容性與降解性，在藥物載體、人造皮膚以及食品添加劑等多個領(lǐng)域都得到了開發(fā)與利用。然而，在實際生活中，蠶絲制品的應(yīng)用往往受制于自身力學(xué)性能不足的缺點。目前，蠶絲及其制品改良的方法主要有物理化學(xué)改性法和共混改性法等，但往往存在工序復(fù)雜、成本較高、污染環(huán)境等問題。因此，尋求經(jīng)濟(jì)有效的方法提高蠶絲蛋

2、白的力學(xué)性能對于蠶絲纖維制品的應(yīng)用與發(fā)展具有重要意義。采用納米材料添食法原位增強(qiáng)蠶絲簡便易行，成本較低，綠色環(huán)保，具有廣闊的工業(yè)化前景。金屬納米材料性質(zhì)獨特，應(yīng)用廣泛，在較低喂食濃度下部分金屬納米材料會對生物體起促進(jìn)作用?；诖?，本文以五齡家蠶為動物模型，通過添加喂食法研究了五種金屬納米材料（Cu、Fe、Zn、ZnO和TiO2）對家蠶生長性狀、家蠶蠶絲結(jié)構(gòu)以及蠶絲力學(xué)性能等的影響；研究了金屬納米材料在家蠶體內(nèi)的富集現(xiàn)象；同時，研究了金屬

3、納米材料在蠶絲蛋白內(nèi)的分布以及存在形態(tài)等問題。具體研究結(jié)果如下：
　　1.通過觀測家蠶體重、結(jié)繭率以及家蠶組織損傷情況等探討了五種金屬納米材料對于家蠶生長性狀的影響。結(jié)果表明：金屬納米材料的種類對家蠶生長性狀有顯著影響。在本實驗喂食濃度下，Cu、Fe以及TiO2納米材料對家蠶無明顯毒害作用，家蠶在攝入上述三種納米材料后處于正常生長狀態(tài)直至最終吐絲結(jié)繭。此外，三種納米材料對家蠶的體重、組織器官、結(jié)繭率、死亡率以及蠶繭大小均無明顯影響

4、。而Zn和ZnO納米材料對家蠶具有較強(qiáng)的毒性。在較低喂食低濃度下，Zn和ZnO組家蠶仍會出現(xiàn)較大規(guī)模的病變現(xiàn)象，結(jié)繭率只有10％和15%。通過對家蠶組織切片觀察，發(fā)現(xiàn)Zn和ZnO組家蠶體內(nèi)絲腺以及中腸等器官有明顯病變情況。
　　2.研究了金屬納米材料種類以及喂食濃度對家蠶蠶絲力學(xué)性能的影響，獲得了添加喂食法增強(qiáng)蠶絲力學(xué)性能的最優(yōu)添食方法。研究表明：在給家蠶喂食Cu、Fe以及TiO2納米材料后，所獲蠶絲直徑以及力學(xué)性能均有明顯提高。

5、其中，最優(yōu)添加喂食方法為Cu納米材料做為家蠶食物添加劑，喂食濃度為100mg/組。該喂食條件下，蠶絲極限斷裂強(qiáng)度、斷裂延伸率分別提高了89%以及36%。此外，盡管Zn和ZnO納米材料對家蠶具有較強(qiáng)的毒性，但Zn和ZnO組所獲蠶絲力學(xué)性能與空白組無明顯差異。由此表明：喂食金屬納米材料的種類對蠶絲力學(xué)性能的影響顯著。其中，Cu納米材料對蠶絲纖維力學(xué)性能的增強(qiáng)效果優(yōu)于其他四種金屬納米材料，Zn和ZnO納米材料不適用做于家蠶食物添加劑。

6、　　3.結(jié)合掃描電鏡（SEM）、紅外光譜（FTIR）、紅外光譜去卷積技術(shù)（FTIR-deconvolution）、X射線衍射（XRD）以及熱重分析（TGA）探討了Cu、Fe以及TiO2三種增強(qiáng)型金屬納米材料對于蠶絲蛋白纖維形貌以及結(jié)構(gòu)的影響。掃描電鏡結(jié)果表明：家蠶在攝入一定量的Cu、Fe以及TiO2金屬納米材料之后，蠶絲蛋白的表面會發(fā)生明顯的蛋白重建現(xiàn)象，部分區(qū)域出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象。經(jīng)紅外光譜、X射線衍射以及熱穩(wěn)定性等方法分析之后，發(fā)現(xiàn)實驗組

7、蠶絲蛋白的主體結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性以及表面元素分布并未因納米材料而發(fā)生改變。通過紅外光譜去卷積技術(shù)發(fā)現(xiàn)家蠶在攝入Cu、Fe以及TiO2三種金屬納米材料之后，蠶絲蛋白二級結(jié)構(gòu)含量會發(fā)生變化，表現(xiàn)為無規(guī)則卷曲和a-螺旋含量升高，β-折疊和β-轉(zhuǎn)角含量降低，但降低幅度較小。
　　4.探討了蠶絲蛋白纖維中金屬納米材料的含量、分布以及存在形態(tài)。利用電感耦合等離子質(zhì)譜技術(shù)（ICP-MS）測定了家蠶蠶絲蛋白纖維、家蠶中腸、前部絲腺以及后部絲腺中Cu、

8、Fe以及Ti三種金屬元素的含量。結(jié)果表明：家蠶在攝入一定量的金屬納米材料后，金屬納米材料會在家蠶的蠶絲、絲腺以及中腸內(nèi)富集，各金屬元素含量隨喂食天數(shù)增加而增加，其中，以后部絲腺金屬元素含量增加尤為明顯，由此，推測蠶絲蛋白當(dāng)中的金屬元素主要存在于絲素當(dāng)中。采用透射電鏡技術(shù)（TEM）觀測了Cu、Fe以及TiO2三種金屬納米材料在家蠶中腸以及絲腺切片中的存在形態(tài)。結(jié)果表明：金屬納米材料在進(jìn)入家蠶體內(nèi)后會在絲腺以及中腸等器官富集，且其仍然保持納