再生丝素蛋白及其与尼龙66共混物溶液纺丝的探索

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蚕丝、蜘蛛丝等天然动物丝优异的综合力学几乎超过目前所有的人造纤维,而如何在常温常压的环境下能生产出如此优异的纤维一直受到人们的关注,许多科学家在模拟动物纺丝方面做了大量的工作。但从报道的结果来看,所制得的纤维与天然的动物丝在综合力学性能上还有较大的差距,而且纺丝过程复杂,在纺丝过程中一般都使用到了有机溶剂或高盐浓度的纺丝原液。 我们以高浓度且分子量较高的丝素蛋白水溶液为纺丝原液,并以高浓度的无机盐溶液作为凝固浴,采用湿纺的方法,在较低的纺丝速率(约20mm/s)下成功地制备了具有一定强度的再生丝素蛋白纤维。从SEM结果可以看到,再生丝素蛋白初生纤维成型过程中,其内部有大量微球出现;拉曼光谱研究表明,此时纤维内部的丝素蛋白分子主要以无规构象和/或螺旋构象的形式存在。在对初生纤维进行后拉伸过程中,我们发现其内部的微球在拉伸力的作用下,逐渐转变成为了层状的结构。NMR结果表明,随着拉伸倍数的增加,纤维内部的silkII结构(主要是B一折叠)的含量逐渐增加。后拉伸纤维再经过热湿处理,其B—sheet的含量将进一步提高。x一射线广角衍射的结果证实了在后拉伸过程中,拉伸诱导丝素蛋白规整结构(结晶)的出现,同时经过热湿处理后,纤维内部的结构规整性有了相当大的变化。对再生丝素蛋白纤维单丝的力学性能测量显示,经过充分后拉伸处理的纤维已表现出较强的韧性,其应力一应变曲线具有非常明显的屈服点,断裂强度和断裂伸长率分别达到0.2GPa和30%;再在存有少许应力的条件下经过热湿处理,所得纤维的应力一应变曲线将发生较大变化,与天然蚕丝和蜘蛛丝的相似,而其断裂强度和断裂伸长率分别为0.5GPa和20%,与天然蚕丝的力学性能相近。显然,通过后拉伸和应力下的热湿处理能在很大的程度上提高再生蚕丝的力学性能,其完全有可能与后处理期间,丝素蛋白分子链及其规整结构的进一步取向和分子链间的解缠结作用密切相关。 我们通过丝素蛋白和尼龙66的共混纺丝,希望能够得到丝素蛋白和尼龙66两者优异力学性能相结合的共混纤维。 用98%甲酸作为尼龙66和丝素蛋白的共同溶剂,采用溶液共混的方法,制得丝素蛋白和尼龙66混合纺丝原液,以醇、醚、无机盐溶液等作为凝固浴,采用湿纺的方法进行纺丝,得到了纤维样品。但是,电镜观察却发现,在所试用的多种凝固浴条件下,纤维的内部均有许多空洞,甚至出现了“中空纤维”的现象,这是可能是因为所用的凝固浴对尼龙66都具有较强的沉淀能力,从而使尼龙66在与溶剂接触面快速析出并“结皮”。同时,测量表明所制得的共混纤维的力学性能较差,除了纤维内大量存在宏观空洞外,也有可能是由于用甲酸作为溶剂,使得尼龙66和丝素蛋白分子链均有较大程度降解的缘故。
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