再生丝素蛋白水溶液的干法纺丝及后处理研究

摘要

蜘蛛丝的力学性能比大部分的合成纤维更加优异，是迄今为止最强韧的材料之一。而且蜘蛛丝的生产工艺非常“低碳环保”，只需在常温常压下以水为溶剂在空气中直接成丝，整个过程所需原料也都是可再生的。蜘蛛丝优异的性能是由其化学结构和纺丝工艺共同决定的。然而，和蚕不同的是，由于蜘蛛同类相食无法大量饲养，所以无法通过天然的方法获得大量蜘蛛丝。因此人们一直对模仿蜘蛛的纺丝过程从而人工制备蜘蛛丝有着浓厚的兴趣。在过去的十几年中，全世界掀起了一股采用基因工程法制备重组蜘蛛丝蛋白的浪潮。然而该方法仍存在着几个难题。首先，重组蜘蛛丝蛋白的分子量太小，大多数只有天然蜘蛛丝蛋白分子量的三分之一甚至更少；其次，基因载体对外来蜘蛛丝蛋白基因产生排斥，会导致重组蜘蛛丝蛋白变性，从而使目前重组蜘蛛丝蛋白的水平仍然偏低；最后，基因工程蛋白成本太高，甚至无法满足实验室使用需求。
　　 由于没有足够的天然或重组的蜘蛛丝蛋白，因此必须找到一种适当的替代物来进行仿生纺丝的研究。最终很多学者选择蚕丝蛋白作为模型替代蜘蛛丝蛋白以进行仿生纺丝研究。这是因为蚕丝与蜘蛛丝的成丝过程比较相似，而且丝素蛋白与蜘蛛丝蛋白的氨基酸组成也比较接近。研究表明在一定条件下，蚕丝的机械性能甚至可与蜘蛛丝媲美。另外，与蜘蛛丝蛋白不同，人们可以非常容易地获得大量的蚕丝蛋白以满足研究需要。因此本论文以再生丝素蛋白水溶液为模型进行了干法纺丝的研究，并探索了后处理方法和条件以提高再生丝素蛋白纤维的力学性能。
　　 在再生过程中，丝素分子会发生一定程度的降解，且丝素分子的分子量对于再生纺丝液的稳定性、可纺性以及再生纤维微结构有较大的影响，因此准确测量降解后丝素蛋白的分子量是十分必要的。本论文开发了一种使用聚乙二醇(PEG)6000作为筛分介质的无胶筛分毛细管电泳法(NGSCE)以测量再生丝素蛋白的分子量。PEG6000可以降低丝素蛋白对毛细管壁的吸附，并在毛细管内互相缠绕形成网状结构，从而对丝素蛋白分子进行筛分。测试结果表明，采用本方法制备的再生丝素蛋白中少量丝素蛋白分子量分布在32.7和58.5 kDa附近，大部分分子的分子量在75.3至91.7 kDa的范围内，其中83.8 kDa附近含量最高。该结果与十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳法(SDS-PAGE)测试得到的分子量分布结果是相似的，同时NGSCE法对于低含量分子也更加敏感。该方法的电泳缓冲液由PEG、三羟甲基氨基甲烷（Tris）和十二烷基硫酸钠(SDS)组成。同一电泳缓冲液下，三种标样蛋白的分子量和迁移时间呈现良好的线性关系和重复性。但是实验也发现电泳缓冲液会随着时间慢慢发生一些变化，有必要每周更换缓冲液并重新标定标准曲线。更换毛细管时也必须重新标定标准曲线。本方法需样量少、耗时少、重复性好，为研究仿生纺丝过程中分子量的影响，提供了方便手段。
　　 本论文采用与蚕和蜘蛛纺丝相一致的干法纺丝工艺，通过自制的毛细管纺丝装置从以水为溶剂的纺丝液中成功地制备了再生丝素蛋白纤维。与报道较多的湿法纺丝不同，本论文采用的干法纺丝更加环保而且成本更低。相比传统的气压式干法纺丝装置，新装置结构简单、所需纺丝液少，且适用于多种纺丝液（pH=4.8-6.9，多种金属离子）在更大的长径比(40-133)条件下进行纺丝。本论文还采用流变的方法研究了再生丝素蛋白的分子量、pH、金属离子、丝素浓度和纺丝条件对纺丝液可纺性的影响。实验发现：在本论文条件下，再生丝素蛋白分子量范围约为20-100 kDa，远小于天然丝素蛋白分子量。而且在本论文条件下，再生丝素蛋白的分子量太高会降低纺丝液的可纺性，适当地降低分子量有利于制备再生丝素蛋白纤维。通过适当的浓缩，pH在4.8-6.9范围内的纺丝液(Ca2+离子浓度均为0.3 mol/L)都可用成功制备再生丝素蛋白纤维，不同pH纺丝液的纺丝浓度和可纺性相差不大。纺丝液的流变测试结果表明，随着pH的降低，纺丝液的松弛时间增加。不同金属离子对再生纺丝液的可纺性影响很大，只添加Ca2+离子的再生丝素蛋白水溶液松弛时间较小，可纺性较好，动态流变曲线比较平滑；而添加Mg2+离子和K+离子的纺丝液松弛时间较大，可纺性较差，动态流变曲线波动较大。再生丝素蛋白水溶液最佳的可纺浓度为44.2-48.1％（用称重法测量），该范围大于蚕体内的可纺浓度。浓度低于39.8％的纺丝液在进行动态流变测试时始终呈现粘弹性液体状态，无法进行干法纺丝。而当浓度高于55％时，由其动态流变曲线可知，纺丝液在较低角频率条件下就易由粘弹性液体状态向粘弹性固体状态转变，从而使纺丝液的可纺性变差。根据大量实验得到的经验表明，所有可纺的再生丝素蛋白纺丝液的松弛时间均小于0.01s；在此范围内，松弛时间越小，溶液的可纺性越好;松弛时间越大，溶液的可纺性越差。松弛时间可作为简单判断纺丝液可纺与否的一种依据。尽管本文的干纺方法与蚕和蜘蛛的吐丝过程比较相似，但也有一些不同。首先再生丝素蛋白结构与天然丝素蛋白结构有所不同，其次目前的纺丝尚不是液晶纺丝，所以初生丝的取向度低，β-折叠构象含量也较低。尽管增加毛细管长径比或增大卷绕速度均可明显提高初生丝的力学性能，但是其断裂强度绝对值要远小于天然蚕丝。
　　 为了解决再生丝素蛋白初生丝力学性能不佳的问题，本论文对初生丝进行了后处理探索，试图通过后处理提高纤维的力学性能。在总结文献的基础上，本论文研究了两类后处理剂（醇-水溶液体系和无机盐水溶液体系）对再生丝素纤维构象和力学性能的影响。实验发现醇-水溶液体系可以显著地促使初生丝构象从无规卷曲/α-螺旋构象向β-折叠构象转变。而无机盐水溶液体系中只有硫酸铵可以微弱地促使初生丝产生这种构象转变。经过醇-水溶液体系处理的丝素蛋白纤维力学性能较大幅提高。本论文还研究了两种不同后处理方法对初生丝性能的影响。结果表明，相比于方法A（将初生丝在后处理剂中浸泡1h，然后在蒸气浴中拉伸2倍），方法B（将初生丝在后处理剂中拉伸2倍，然后再浸泡1h）能够更加有效的促进纤维形貌、结构和力学性能的改善。对乙醇-水和异丙醇-水体系而言，采用方法B处理过的纤维具有和脱胶丝一样的光滑表面，而对甲醇-水体系和硫酸铵水溶液而言，采用方法B处理过的纤维的表面非常褶皱。通过对比，样品Et-D-I-B（将初生丝在乙醇-水中拉伸2倍，然后再浸泡1h得到的纤维）的各种性能最佳，其断裂强度和断裂伸长率可以分别达到199.2 MPa和55.4％。尽管其断裂强度低于天然脱胶丝，但是其断裂伸长率高于脱胶丝。样品Et-D-I-B较高的断裂伸长率也表明其能够被进一步拉伸。本论文认为样品Et-D-I-B断裂强度比天然丝差可能是由于Et-D-I-B的结晶和取向结构没有天然蚕丝完善，晶区之间尚存在一定量的卷曲的无定形态的丝素蛋白分子未被拉伸。而蚕采用的是液晶纺丝，在液态时分子已排列整齐并有一定程度取向以后才开始纺丝，所以结晶结构完善、取向度高。使用80vol％乙醇-水做后处理剂，采用在后处理剂中先拉伸2倍后浸泡1h的方法制备的纤维性能较初生丝大幅提高，而且存在进一步提高的空间。
　　 为了进一步提高纤维的力学性能，摸索最佳处理条件，本论文选择80vol％乙醇-水溶液作为后处理剂，研究了拉伸倍数和浸泡时间对纤维力学性能和结构的影响。结果表明，随着拉伸倍数的增加，纤维的力学性能和取向度增加;相同的浸泡时间下（90分钟），不同拉伸倍数(1～3倍)的后处理纤维的β-折叠构象含量相近。将纤维拉伸3倍后，在后处理剂中浸泡1至120分钟得到纤维的力学性能测试和红外光谱的定量分析表明，随着浸泡时间的增加，后处理纤维的断裂强度和β-折叠构象含量均呈现出开始时快速增长，而后缓慢增长，90分钟后最终趋于恒定的特点。因此本论文暂选的最佳处理条件为，在80vol％乙醇-水溶液中对纤维进行3倍拉伸，然后在其中浸泡90分钟。得到的再生丝素蛋白纤维直径均匀，表面光滑，而且比天然脱胶丝更加强韧。后处理纤维的断裂强度可以达到301 MPa，接近天然脱胶丝。尽管后处理再生丝素蛋白的分子量大大低于天然丝素分子，但是其断裂强度几乎相同，断裂能更是天然脱胶丝的2.4至3.8倍，这表明分子量不是影响再生丝素蛋白纤维力学性能的主要因素，而二级结构才是主要因素。本论文还采用最佳条件对从不同pH(4.8、5.2、5.6、6.0)的再生丝素蛋白水溶液制备的初生丝进行处理。结果表明纺丝液的pH对后处理纤维的结构和力学性能影响非常有限，从不同pH纺丝液制备的初生丝经处理过后具有非常相近的形貌、结构和力学性能，均可以完全媲美脱胶丝。因此，本后处理工艺适用于不同pH值纺丝液制备的初生丝。本论文采用80vol％的乙醇-水溶液作为后处理剂，对再生丝素蛋白干纺纤维进行后处理，得到的纤维性能良好。作为一种后处理剂，乙醇-水溶液无毒环保，具有很好的应用前景。

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摘要

第1章 文献综述

1.1 蜘蛛和蚕的纺丝机理

1.1.1 蜘蛛的纺丝机理

1.1.2 蚕的纺丝机理

1.1.3 蜘蛛与蚕的纺丝过程的差异

1.2 蚕丝的纤维化机理

1.2.1 Viney的球棒液晶理论

1.2.2 Iizuke和Magoshi的研究发现

1.2.3 于同隐和邵正中教授的折叠链模型

1.2.4 Kaplan的胶束理论

1.3 蚕丝蛋白的组成及结构

1.3.1 丝素的组成及化学结构

1.3.2 丝素分子的构象

1.3.3 丝素的聚集态结构

1.4 国内外在仿生纺丝领域的进展

1.4.1 再生蜘蛛丝蛋白的仿生纺丝研究

1.4.2 重组蜘蛛丝蛋白的仿生纺丝研究

1.4.3 丝蛋白的仿生纺丝研究及后处理

1.4.4 蚕丝蛋白的静电纺丝研究

1.5 本论文的研究目的和意义

1.6 文论文的创新之处

1.7 参考文献

第2章 无胶筛分毛细管电泳法测量再生丝素蛋白分子量

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 材料与仪器

2.2.2 样品制备与测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 波长的选择

2.3.2 标准曲线的建立及重复性测试

2.3.3 丝素蛋白的分析

2.3.4 与SDS-PAGE结果的比较

2.4 结论

2.5 参考文献

第3章 再生丝素蛋白水溶液的干法纺丝窗口建立与纤维表征

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 材料和仪器

3.2.2 再生丝素蛋白纺丝液的制备

3.2.3 再生丝素蛋白干纺纤维的制备

3.2.4 测试与表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 分子量对溶液可纺性的影响

3.3.2 pH对溶液可纺性的影响

3.3.3 金属离子对溶液可纺性的影响

3.3.4 丝素浓度对溶液可纺性的影响

3.3.5 多因素对溶液可纺性影响的理论解释

3.3.6 纺丝条件对纤维力学性能的影响

3.4 结论

3.5 参考文献

第4章 再生丝素蛋白水溶液干纺纤维后处理方法与体系的选择

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 材料与仪器

4.2.2 再生丝素蛋白水溶液的制备

4.2.3 后处理剂的选择

4.2.4 后处理方法的选择

4.2.5 表征与测试

4.3 结果与讨论

4.3.1 后处理剂的选择结果

4.3.2 后处理方法的选择结果

4.3.3 后处理剂对再生纤维表面形态的影响

4.3.4 后处理剂对再生纤维构象的影响

4.3.5 后处理剂对再生纤维取向的影响

4.3.6 后处理剂对再生纤维力学性能的影响

4.4 结论

4.5 参考文献

第5章 再生丝素蛋白水溶液干纺初生纤维的后处理研究

5.1 前言

5.2 实验部分

5.2.1 材料与仪器

5.2.2 再生丝素蛋白水溶液制备

5.2.3 纤维的后处理工艺

5.2.4 表征与测试

5.3 结果与讨论

5.3.1 后处理剂中浸泡时间对纤维构象和力学性能的影响

5.3.2 拉伸倍数对纤维力学性能和结构的影响

5.3.3 纺丝液pH对后处理纤维的力学性能和结构的影响

5.4 结论

5.5 参考文献

第6章 总结

致谢

攻读博士学位期间发表的论文