一种丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液的制备方法

摘要

本发明涉及一种丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液的制备方法，包括以下步骤：（1）将蚕茧经过脱胶、溶解和透析后制备出丝素蛋白水溶液，浓缩至丝素蛋白质量百分数为10%～30%后，取出；（2）将超声后的氧化石墨烯水溶液与丝素蛋白溶液按一定比例进行共混；（3）随后加入CaCl2水溶液，调节溶液钙离子摩尔浓度为0.15～0.3mol/L；（4）继续浓缩，得到丝素蛋白质量百分数为50%～58%的丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液。本发明方法简单，易操作，可有效的制备出再生丝素蛋白与氧化石墨烯的高浓度共混水溶液，并可将其用于干法纺丝或涂膜等操作。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料领域，涉及一种丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液的制备方 法。

背景技术

被誉为“纤维皇后”的蚕丝是人类最早利用的天然蛋白质之一，几千年来它一直被作为高 档服装的材料而被广泛使用，现如今伴随着纺丝技术的不断发展，与之相关的研究领域也在 逐渐的拓宽。从廉价易得的蚕丝中研究者们提取出了再生丝素蛋白，这种再生丝素蛋白具有 优异的力学性能、良好的生物相容性以及可降解性，可广泛的应用于生物、医药、纺织等领 域。

石墨烯作为世界上最薄但却最坚硬的纳米材料在其一出现便成为了研究热点，而氧化石 墨烯是石墨烯的一种重要派生物，它是由石墨经过强氧化剂处理之后，将石墨烯层被氧化成 亲水的石墨烯氧化物，随后在水中进行超声剥离，将石墨烯氧化物片层结构分离而得到的。 作为一种功能化的石墨烯，氧化石墨烯的结构与石墨烯大体相同，仅在二维基面上连有一些 含氧官能团，如羟基、环氧官能团、羰基、羧基等，其中羟基和环氧官能团主要位于石墨烯 的基面上，而羰基和羧基多处在石墨烯的边缘和中间部位处。由于大量的含氧官能团的存在， 使氧化石墨烯具有良好的亲水性，且在水中能够良好的分散。此外，氧化石墨烯具有优异的 力学性能和电性能，且其制备方法简单，原料石墨廉价易得，因而氧化石墨烯在聚合物基复 合材料中有着广泛的应用前景。

结合氧化石墨烯与丝素蛋白二者的结构和性质，研究者们决定将石墨烯或氧化石墨烯与 丝素蛋白溶液进行共混，试图制备出增强增韧的复合材料。申请号为201310125764.9中国 专利通过将再生丝素蛋白溶液、石墨烯溶液以及甲酸溶液进行三者共混，得到的混合溶液以 静电纺丝的方式制备出石墨烯/蚕丝复合纤维，其断裂强度为24.7MPa，断裂伸长率为3.6%。 申请号为201210444427.1中国专利报道了他们利用层层组装、抽滤、浇铸的三种方法制备 出了氧化石墨烯和丝素蛋白的复合膜。Kesong Hu等人2013年在Advanced Materials期刊发 表的论文，也报道了他们以氧化石墨烯为增强材料，采用旋涂技术将氧化石墨烯溶液和再生 丝素蛋白溶液交替旋涂在聚苯乙烯基底上，制备出了氧化石墨烯/丝素蛋白的纳米薄膜，经 过乙醇处理后，该薄膜的断裂强度能可达到300MPa，断裂伸长率为1.0±0.4%，断裂能为 2.2～2.4MJ/m³。

但是在这些专利或文章中，无论是纺丝还是涂膜，所用到的混合溶液中丝素蛋白的浓度 都是较低的。这是因为随着丝素蛋白浓度的提高，溶液的稳定性将会变差，即丝素蛋白的水 溶液易会发生变质或凝胶化，因而高质量百分数的丝素蛋白溶液极不容易保存，这或许是上 述专利或文章中所用的丝素蛋白溶液浓度较低的原因。因而目前还未曾有过将丝素蛋白水溶 液与氧化石墨烯共混，然后浓缩至丝素蛋白为较高质量百分数时，进行纺丝和涂膜的相关报 道。本组前期实验表明：将丝素蛋白水溶液与氧化石墨烯水溶液共混，然后浓缩，使之达到 纺丝时所需的粘度，可是还没有浓缩到丝素蛋白为较高质量百分数时，混合溶液就已经开始 发生降解或变质，无法进行干法纺丝或涂膜。为了维持丝素蛋白在溶液中的稳定结构，需要 加入Ca²⁺离子。但是加入Ca²⁺离子的丝素蛋白溶液与氧化石墨烯的水溶液共混后，氧化石墨 烯会发生严重团聚。造成这种现象的原因可能是丝素蛋白分子与Ca²⁺离子形成的螯合结构会 影响氧化石墨烯表面的亲水基团与丝素蛋白分子之间的作用，并导致了氧化石墨烯发生团聚， 该原因有待于进一步的研究。

发明内容

本发明旨在提供一种丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液的制备方法，在本发明中， 要在丝素蛋白水溶液中先加入氧化石墨烯水溶液，后加入氯化钙水溶液，这样制备出的丝素 蛋白与氧化石墨烯的混合水溶液，不仅可以浓缩至较高浓度，而且氧化石墨烯在混合溶液中 可以良好的分散。将本溶液作为纺丝液进行纺丝，可以具有很好的可纺性，并且得到的复合 纤维的力学性能与再生蚕丝相比有了一定的提高。同时，该溶液也可以通过涂膜的方式制备 丝素蛋白/氧化石墨烯的复合膜。

本发明的一种丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液的制备方法，包括如下步骤：

1）用Na₂CO₃水溶液对蚕茧脱胶，然后用LiBr水溶液将其溶解，经过离心、抽滤和透析 后，得到再生丝素蛋白水溶液，进而浓缩至丝素蛋白的质量百分数为10%～30%；

2）将氧化石墨烯水溶液进行超声分散处理，然后按照氧化石墨烯与丝素蛋白的质量比为 1:200～10000的比例，将其加入到上一步得到的浓缩后得到的再生丝素蛋白水溶液中，并摇匀； （量的关系）

3）添加氯化钙水溶液，调节溶液中钙离子摩尔浓度为0.15～0.3mol/L；

4）继续浓缩，得到丝素蛋白质量百分数为50%～58%的丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混 水溶液，所述的丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液中氧化石墨烯与丝素蛋白的质量比为 1:200～10000。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液的制备方法，所述Na₂CO₃水溶 液的质量百分数为0.5%～1%。

如上所述的一种丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液的制备方法，所述LiBr水溶液 的摩尔浓度为9.0±0.5mol/L。

如上所述的一种丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液的制备方法，所述的离心是将溶 解后的丝素蛋白溶液稀释1.5倍，利用高速离心机进行离心，转速设为3500r/min，时间为 10min，温度为18℃。通过离心这步操作，可将留在丝素蛋白溶液中杂质分离出来。

如上所述的一种丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液的制备方法，所述的透析是为了 除去留在丝素蛋白溶液中的盐离子，具体地就是将离心抽滤后的丝素蛋白溶液置入纤维素透 析袋中，封闭后，浸入去离子水中开始透析，温度为6～12℃，透析时间为72h，换水周期为 3～4个小时。

如上所述的一种丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液的制备方法，所述步骤1）中的 浓缩是指在6～12℃温度下，利用风速法浓缩再生丝素蛋白水溶液，直至其质量百分数为 10%～30%。

如上所述的一种丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液的制备方法，所述步骤2）中对 氧化石墨烯进行超声分散处理，目的是降低氧化石墨烯团聚，而选择合适的超声时间是降低 纳米粒子团聚的重要因素，这里超声时间控制在2～5min。

如上所述的一种丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液的制备方法，所述氧化石墨烯水 溶液的浓度为0.5～3mg/mL。

如上所述的一种丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液的制备方法，所述氯化钙水溶液 的摩尔浓度为1.5～3.0mol/L。

在本发明中，将丝素蛋白水溶液与氧化石墨烯共混前，需要将丝素蛋白水溶液进行预的 浓缩，这是因为在丝素蛋白溶液质量百分数太低或太高加入氧化石墨烯，会不利于氧化石墨 烯在丝素蛋白溶液中分散。通过大量实验，我们发现在丝素蛋白质量百分数为10%～30%时， 加入氧化石墨烯水溶液和CaCl₂溶液，会使各溶液之间混合的效果较好。

金属离子对丝素蛋白的作用十分重要，其中Ca²⁺离子的作用更是不容忽视，它能够促进 丝素蛋白在溶液中的维持稳定结构，因而在本发明中，为了改善丝素蛋白溶液在高浓度时发 生凝胶化的状况，所以向混合溶液中加入氯化钙水溶液，并调控混合溶液中Ca²⁺浓度在 0.15～0.3mol/L的范围内。

在本发明中，特别值得注意的是氧化石墨烯溶液和氯化钙水溶液的加入顺序，二者的顺 序不可以颠倒，因为通过实验发现，如果先加入氯化钙水溶液，后加入氧化石墨烯溶液，会 导致混合溶液在浓缩过程中会发生氧化石墨烯团聚而沉积在溶液下方。初步分析其中的原因， 可能是先加入氯化钙水溶液后，Ca²⁺离子会与丝素蛋白分子发生螯合作用，这种作用要比氧 化石墨烯与丝素蛋白之间的相互作用要强，所以阻碍了氧化石墨烯与丝素蛋白分子之间的相 互作用。有实验证明，在丝素蛋白溶液中即使加入微量的氯化钙水溶液后，再与氧化石墨烯 水溶液共混而得到的混合溶液，在放置一段时间后，也会发生氧化石墨烯的团聚。另外，Ca²⁺离子与丝素蛋白分子结合后，会使氧化石墨烯与丝素蛋白分子发生作用的结合位点减少。综 上两种原因，氧化石墨烯在混合溶液的分散性将会很差。但是若在丝素蛋白溶液中先加入氧 化石墨烯水溶液，后加入氯化钙水溶液，则发现溶液中的氧化石墨烯的分散性得到明显的提 高，这可能是由于氧化石墨烯表面和边缘处的羧基、羟基等含氧集团与丝素蛋白分子发生作 用并形成氢键，从而占据了丝素蛋白分子的大部分的结合位点，加入氯化钙水溶液虽然会产 生一定的影响，但总体上氧化石墨烯在丝素蛋白溶液中的分散性有了明显的改善。

在本发明中，当混合溶液浓缩到高质量百分数时，丝素蛋白分子易发生凝胶化变或变质， 故为了保证溶液不发生凝胶或变质，并且具有良好的可纺性，我们将溶液中丝素蛋白的质量 百分数控制在48%～58%。

由于氧化石墨烯为功能化的石墨烯，其表面及边缘处含有丰富的含氧基团，所以可与双 亲性的丝素蛋白分子之间可以发生复杂的相互作用，这种作用能够促进一种介于丝素蛋白与 氧化石墨烯的界面层的形成，即第三相。这种界面层可以起到增强增韧的作用，利用该溶液 进行干法纺丝，能够得到力学性能优异的再生丝素纤维。

有益效果：

本发明在保证丝素蛋白为较高质量分数的前提下，创造性的制备出一种丝素蛋白/氧化石 墨烯高浓度共混水溶液，这种溶液不仅质量较好，而且还解决了氧化石墨烯在丝素蛋白溶液 中的分散性差的问题。利用该溶液无论是纺丝或涂膜，可以制备出力学性能优异的复合材料， 对于制备高性能的人造动物丝及复合材料奠定了基础，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而 不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员 可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范 围。

实施例1

用质量百分数为0.5%的Na₂CO₃水溶液对蚕茧脱胶，然后用9.0mol/L的LiBr水溶液将其 溶解。稀释后，利用高速离心机进行离心。抽滤后，将丝素蛋白溶液置于纤维素透析袋中， 封闭后，浸入去离子水中透析，温度为6℃，透析时间为72h，换水周期为4个小时。然后在 6℃温度下，利用风速法，将再生丝素蛋白水溶液浓缩至质量百分数为10%。将浓度为 0.5mg/mL氧化石墨烯水溶液作超声分散处理；然后按照氧化石墨烯与丝素蛋白的质量比为 1:200的比例，将氧化石墨烯水溶液加入到再生丝素蛋白水溶液中，并摇匀。添加摩尔浓度为 1.5mol/L的氯化钙水溶液，调节溶液中钙离子摩尔浓度为0.15mol/L。继续浓缩，最终得到 再生丝素蛋白质量百分数为50%的再生丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液。

实施例2

用质量百分数为0.5%的Na₂CO₃水溶液对蚕茧脱胶，然后用8.5mol/L的LiBr水溶液将其 溶解。稀释后，利用高速离心机进行离心。抽滤后，将丝素蛋白溶液置于纤维素透析袋中， 封闭后，浸入去离子水中透析，温度为6℃，透析时间为72h，换水周期为4个小时。然后在 6℃温度下，利用风速法，将再生丝素蛋白水溶液浓缩至质量百分数为20%。将浓度为0.5mg/ml 氧化石墨烯水溶液作超声分散处理，然后按照氧化石墨烯与丝素蛋白的质量比为1:500的比 例，将氧化石墨烯水溶液加入到再生丝素蛋白水溶液中，并摇匀。添加摩尔浓度为1.5mol/L 的氯化钙水溶液，调节溶液中钙离子摩尔浓度为0.15mol/L。继续浓缩，最终得到再生丝素 蛋白质量百分数53%的再生丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液。

实施例3

用质量百分数为1.0%的Na₂CO₃水溶液对蚕茧脱胶，然后用9.0mol/L的LiBr水溶液将其 溶解。稀释后，利用高速离心机进行离心。抽滤后，将丝素蛋白溶液置于纤维素透析袋中， 封闭后，浸入去离子水中透析，温度为7℃，透析时间为72h，换水周期为4个小时。然后在 7℃温度下，利用风速法，将再生丝素蛋白水溶液浓缩至质量百分数为30%。将浓度为3mg/ml 氧化石墨烯水溶液作超声分散处理，然后按照氧化石墨烯与丝素蛋白的质量比为1:10000的 比例，将氧化石墨烯水溶液加入到再生丝素蛋白水溶液中，并摇匀。添加摩尔浓度为2.25mol/L 的氯化钙水溶液，调节溶液中钙离子摩尔浓度为0.225mol/L。继续浓缩，最终得到再生丝素 蛋白质量百分数为51%的再生丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液。

实施例4

用质量百分数为1.0%的Na₂CO₃水溶液对蚕茧脱胶，然后用9.0mol/L的LiBr水溶液将其 溶解。稀释后，利用高速离心机进行离心。抽滤后，将丝素蛋白溶液置于纤维素透析袋中， 封闭后，浸入去离子水中透析，温度为12℃，透析时间为72h，换水周期为4个小时。然后 在12℃温度下，利用风速法，将再生丝素蛋白水溶液浓缩至质量百分数为20%；将浓度为 0.5mg/ml氧化石墨烯水溶液作超声分散处理，然后按照氧化石墨烯与丝素蛋白的质量比为1: 1000的比例，将氧化石墨烯水溶液加入到再生丝素蛋白水溶液中，并摇匀。添加摩尔浓度为 3.0mol/L的氯化钙水溶液，调节溶液中钙离子摩尔浓度为0.3mol/L。继续浓缩，最终得到再 生丝素蛋白质量百分数为57%的再生丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液。

利用上述的纺丝液进行干法纺丝，在室温下，得到了平均直径为18.8μm的初生丝，初生 丝的力学性能用INSTRON-5565材料试验机，拉伸条件为夹距15mm，拉伸速率2mm/min， 所测得的断裂强度平均值为32.5MPa。对初生丝进行后拉伸处理，则复合纤维的力学性能可 进一步提高，在同样的测试条件下，测得复合纤维的断裂强度平均值高达382MPa。因此利用 本发明制备的纺丝液，可以得到具有一定力学性能的复合纤维。对制备具有良好力学性能的 丝素蛋白/氧化石墨烯复合纤维奠定了基础，开辟了新径，值得推广。（下面这段话，可以加 在某个实施例之后，作为最终效果的描述）

实施例5

用质量百分数为1.0%的Na₂CO₃水溶液对蚕茧脱胶，然后用9.0mol/L的LiBr水溶液将其 溶解。稀释后，利用高速离心机进行离心。抽滤后，将丝素蛋白溶液置于纤维素透析袋中， 封闭后，浸入去离子水中透析，温度为12℃，透析时间为72h，换水周期为4个小时。然后 在12℃温度下，利用风速法，将再生丝素蛋白水溶液浓缩至质量百分数为19.8%；将浓度为 3mg/ml氧化石墨烯水溶液作超声分散处理，然后按照氧化石墨烯与丝素蛋白的质量比为 1:2000的比例，将氧化石墨烯水溶液加入到再生丝素蛋白水溶液中，并摇匀。添加摩尔浓度 为3.0mol/L的氯化钙水溶液，调节溶液中钙离子摩尔浓度为0.3mol/L。继续浓缩，最终得到 再生丝素蛋白质量百分数为58%的再生丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液。

实施例6

用质量百分数为1.0%的Na₂CO₃水溶液对蚕茧脱胶，然后用9.0mol/L的LiBr水溶液将其 溶解。稀释后，利用高速离心机进行离心。抽滤后，将丝素蛋白溶液置于纤维素透析袋中， 封闭后，浸入去离子水中透析，温度为8℃，透析时间为72h，换水周期为4个小时。然后在 8℃温度下，利用风速法，将再生丝素蛋白水溶液浓缩至质量百分数为20%；将浓度为0.5mg/ml 氧化石墨烯水溶液作超声分散处理，然后按照氧化石墨烯与丝素蛋白的质量比为3:2000的比 例，将氧化石墨烯水溶液加入到再生丝素蛋白水溶液中，并摇匀。添加摩尔浓度为3.0mol/L 的氯化钙水溶液，调节溶液中钙离子摩尔浓度为0.3mol/L。继续浓缩，最终得到再生丝素蛋 白质量百分数为54%的再生丝素蛋白/氧化石墨烯高浓度共混水溶液。