仿生制备的再生丝素蛋白水溶液的静电纺丝_pH值的影响

仿生制备的再生丝素蛋白水溶液的静电纺丝(Ⅱ)———p H值的影响3朱晶心,邵惠丽,胡学超(东华大学纤维材料改性国家重点实验室,上海201620)摘　要:　制备了与蚕体内相近浓度的再生丝素蛋白水溶液并模仿其腺体内不同部位的p H值(从6.9～5.2)对溶液进行了调节,研究了不同p H下丝素蛋白水溶液的流变性能,并对溶液进行了静电纺丝的尝试。

研究结果表明,随着p H值的下降,体系的表观粘度增大,对剪切的敏感性提高;利用静电纺丝技术成功获得了平均直径在700nm的丝纤维,通过拉曼光谱、X衍射、DSC对再生丝素蛋白纤维的结构进行了表征,发现再生丝素蛋白纤维主要是无规卷曲或silkⅠ结构, p H值的降低,有利于静电纺丝纤维从无规卷曲或silk Ⅰ结构向silkⅡ结构转变。

关键词:　再生丝素蛋白;静电纺丝;p H值;仿生中图分类号:　TQ341.5文献标识码:A 文章编号:100129731(2008)022*******1　引　言由于天然丝纤维表现出优异的机械性能,近年来,仿生纺丝研究引起了人们极大的关注[1～7]。

然而,人们对蚕和蜘蛛的纺丝机理还不是很清楚。

与蜘蛛相比较,人们对蚕丝在蚕体内的形成机理以及不同丝蛋白间的相互作用了解的更多一些。

断的自然的纺丝过程是在温和的生理条件下进行的,包括水介质,室温环境К剪切和快速的拉伸流动等。

Magoshi等人的研究表明[8],丝素蛋白水溶液由蚕的后部丝腺流入前部丝腺的过程中,丝素蛋白水溶液的浓度不断增加(从12%增加到30%),p H值逐渐变小(从6.9减小到4.8),丝素蛋白分子由无规卷曲及α螺旋结构转变为β折叠结构并形成向列型液晶,之后丝素蛋白水溶液被从纺丝管吐出在空气中固化成丝。

静电纺丝技术是利用静电力纺出直径小到几十纳米到几微米纤维的方法。

近年来,这种纺丝新方法引起了人们的关注。

科学家们把家蚕丝及蜘蛛牵引丝溶解在六氟异丙醇(HFIP)等有机溶剂中[9～11],或用再生丝素蛋白溶液同PEO共混等方法进行了静电纺丝的研究[12],得到了直径在几十纳米到几微米之间的丝纤维。

家蚕吐丝过程中,采用的是以水为介质的高浓度的纺丝液,并通过把丝蛋白溶液从中性调节为弱酸性来改变溶液的性质。

为此,为了更接近于蚕的纺丝条件,本研究制备了与蚕体内浓度相近的再生丝素蛋白水溶液,并模仿蚕体内不同部位的p H值对溶液进行了调节,利用静电纺丝技术模仿蚕在空气中吐丝的过程,以探讨p H值对再生丝素蛋白水溶液静电纺丝纤维的影响。

2　实　验2.1　再生丝素蛋白水溶液的制备将蚕茧去蛹剥为数层,置于0.5%碳酸钠水溶液中在100℃脱胶30min,如此重复2次。

然后用去离子水充分冲洗后风干待用。

将脱胶丝在40℃下溶解于9.0mol/L的溴化锂水溶液中,其比值是1∶10(W/V),加去离子水稀释,离心分离过滤后注入透析袋中,用去离子水连续透析3d。

采用本实验室自制的气流浓缩装置,将丝素蛋白水溶液浓缩到20%(质量分数)。

为了模仿蚕腺体内条件,本文使用0.1mol/L的柠檬酸2氢氧化钠2盐酸缓冲溶液来调节上述丝素溶液的p H值到6.9、6.0、5.6、5.2,(缓冲体系与再生丝素蛋白水溶液按1∶2(体积比)比例配置),再继续浓缩到33%(质量分数)的浓度(当p H为4.8时,丝素溶液浓缩不到33%即值已形成凝胶,不能作为纺丝液)。

再生丝素蛋白水溶液的流变性能采用HA KKE RS150型流变仪,选用20mm的锥板(Ti,35/1°),温度控制在(25±0.1)℃。

采用剪切速率线性增加的模式进行稳态流变测试。

2.2　再生丝素蛋白水溶液的静电纺丝试验用自制的静电纺丝装置来进行。

纺丝时喷丝头内径0.6mm,注射流量为2ml/h,电场强度4kV/ cm。

2.3　丝纤维的表征2.3.1　扫描电镜(SEM)测试利用日本电子株式会社生产的J SM25600L V扫描电子显微镜观察所得再生丝素纤维的形态,所有样品都经表面喷金处理,在10kV下电压扫描,放大倍数为1000倍。

2.3.2　拉曼光谱测试采用法国Dilor公司的Labram00型显微激光拉3基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2002AA336060)收到初稿日期:2007206215收到修改稿日期:2007209212 通讯作者:邵惠丽作者简介:朱晶心　(1963-),女,湖北武汉人,在职博士,师从胡学超教授,从事仿生材料的研究工作。

曼光谱仪,测试条件为:氦2氖激光光源(激发波长632.8nm ),激光功率为6mW ,分辨率为2cm -1。

2.3.3　X 衍射测试采用日本理学公司的D/MA X 2B 型X 衍射仪,测试条件:Cu K α靶,电压40kV ,300mA ,扫描速度2°/min ,扫描范围5～50°。

2.3.4　调制差式扫描量热测试采用美国TA 公司的MDSC2910。

升温速率为3℃/min ,氮气流速为40ml/min 。

3　结果和讨论3.1　不同p H 下再生丝素蛋白水溶液的流变行为众所周知,流体的流变性能对纺丝加工过程有重大影响。

对于丝素蛋白水溶液体系其流变行为的研究还比较少,而且主要是对再生的和蚕的中部丝腺内丝素蛋白稀水溶液的研究[13,14],Terry 等研究了蚕的中部丝腺水溶液在不同p H 值下的流变行为[15],而对不同p H 值下较高浓度的再生丝素蛋白水溶液体系的流变行为的研究还未见报道。

为此本文在这方面进行了初步的探索。

图1为不同p H 值下浓度33%的再生丝素蛋白水溶液的流变行为。

从图1可看出随着p H 值的降低,再生丝素蛋白水溶液的稳态流变曲线上移,体系的表观粘度相应增大。

另外,在小剪切速率下,随着p H 值的降低,体系表现出明显的剪切变稀行为,而随着剪切速率的增大,(约>500s -1)体系又表现出剪切增稠行为,且p H 值越低,体系对剪切越敏感。

当体系的p H 值下降到5.2时,稳态流变曲线出现波动,体系表现出不稳定并有白色固体剪出(出现相分离)。

这说明p H 值可以诱导高浓度的再生丝素蛋白水溶液产生分子间作用,使粘度提高,甚至产生凝胶;而在很小的剪力作用下,这种弱的分子间作用力就可受到破坏;随着剪切速率的增大,体系表现出的剪切增稠行为,证明了在蚕的自然纺丝过程中,存在着剪切诱导的相分离。

这种现象X.Chen 等在研究p H 值对蜘蛛丝素蛋白水溶液的影响时也曾观察到[16]。

图1　不同p H 值下浓度33%的再生丝素蛋白水溶液的稳态流动曲线Fig 1Rheological behaviors of RSF aqueous solutionsat 33%concent ration wit h different p H 3.2　不同p H 下再生丝素蛋白静电纺丝纤维的形态、直径和分布图2是在不同p H 下,浓度为33%的再生丝素蛋白水溶液,静电纺丝纤维的SEM 照片、平均直径、标准差及直径分布图。

从图2可看到随着p H 值的减小,纤维的形态会发生变化,从扁带形、圆柱形、最后过渡到扁平的粘连纤维。

纤维的平均直径在700～1000nm 之间,以溶液p H 值为6.0时,纤维的平均直径最小(718nm ),分布最均匀。

上述结果表明:在浓度为33%时,粘度较小的p H6.9的再生丝素蛋白水溶液在静电力作用下不易分裂,形成的是扁带形的纤维;而溶液粘度较大的p H5.2的再生丝素蛋白水溶液,由于接近凝胶状,纤维失水困难,静电纺丝纤维也表现出了不易分离的粘连特征。

图2　不同p H 下再生丝素蛋白静电纺丝纤维的SEM 照片、平均直径、标准差及直径分布图Fig 2SEM images ,average diameters ,St d.Dev.and diameter dist ributio n histograms of t he electro sp un fibersfro m RSF aqueous solutions wit h different p H3.3　不同p H 下再生丝素蛋白静电纺丝纤维结构的表征为了了解p H 值对再生丝素蛋白水溶液静电纺丝纤维的结构的影响,本论文对再生丝素蛋白水溶液纺出的纤维样品进行了分析表征。

3.3.1　拉曼光谱分析拉曼光谱在研究丝素蛋白的二级结构方面是一种常用的分析手段[17,18]在丝素蛋白体系中,酰胺I 区中的1666cm -1吸收峰归属于Silk Ⅱ(β2折叠)结构,1660cm -1吸收峰归属于无规卷曲或Silk Ⅰ结构。

从图3的拉曼光谱测试可以看出,在酰胺I 区,随着p H 值的降低,峰位从1660cm -1逐渐漂移到1666cm -1,说明p H 值的降低有利于静电纺丝纤维从无规卷曲或Silk Ⅰ结构向Silk Ⅱ结构转变。

在酰胺III 区,静电纺丝纤维在1276～1242cm -1范围内均有吸收峰出现,而这两个峰位范围归属于无规卷曲或Silk Ⅰ结构[17];另外,在C —C 伸缩振动区,出现的1107cm -1吸收峰是对Silk Ⅰ敏感的特征峰[18],而该峰随着p H 值的降低,峰强逐渐减小,说明p H 值的降低也可使Silk Ⅰ含量下降。

总之,从拉曼光谱测试可得出随着溶液p H 值的降低,有利于静电纺丝纤维从无规卷曲或Silk Ⅰ结构向Silk Ⅱ结构转变,但纤维中仍然有无规卷曲或Silk Ⅰ结构存在。

图3　不同p H 下再生丝素蛋白静电纺丝纤维的拉曼光谱图Fig 3Raman spect ra of t he elect rosp un SF fibers fromRSF aqueous solutions wit h different p H 3.3.2　X 衍射图谱分析图4为不同p H 下再生丝素蛋白静电纺丝纤维的X 衍射图。

图4　不同p H 下再生丝素蛋白静电纺丝纤维的X 衍射图Fig 4X 2ray diffracograms of t he electrosp un SF fibersf rom RSF aqueous solutions wit h different p H 从图4可看到,静电纺丝纤维在27.6°处出现了较弱的Silk Ⅰ结构的特征峰,随着p H 值的降低,该峰基本消失,同时在20.6和24.3°处出现了较弱的Silk Ⅱ结构的特征峰[19,20],但4条衍射曲线的峰形变化不大。

这说明改变p H 值对静电纺丝素蛋白纤维的结构影响不大,本实验条件下所制得的静电纺丝纤维主要以无定形结构为主。

3.3.3　DSC 图谱分析DSC 测试所得实验结果如图5所示。

从图5可看到,4条DSC 曲线在175℃左右均出现了转变峰,该峰为静电纺丝纤维的T g [21],在266～269℃范围出现的吸热峰为静电纺丝纤维的热分解峰,而在258～265℃范围的吸热-放热峰,可能是由于无规卷曲和Silk Ⅰ结构向Silk Ⅱ结构转变所引起的[22]。