《高性能再生絲蛋白纖維仿生製備的深入研究》是依託復旦大學，由陳新擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高性能再生絲蛋白纖維仿生製備的深入研究
- 依託單位：復旦大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：陳新
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在目前對於高性能再生絲蛋白纖維的製備取得初步結果的基礎上，依據對於動物絲吐絲機理和絲蛋白構象轉變機理多年基礎研究的成果，從仿生的角度對再生絲蛋白纖維紡制過程中的各個關鍵環節，包括紡絲液、噴絲頭、凝固浴和後處理進行系統全面的研究，建立一套完整並適用於將來工業化生產的高性能再生絲蛋白纖維的紡絲系統。採用紅外顯微技術等多種先進測試手段對天然動物絲和再生絲蛋白纖維，特別是單絲的結構進行詳細表征，建立一套與絲蛋白纖維力學性能密切相關的結構參數(beta-摺疊含量和分子鏈取向度)的表征方法。通過比較天然動物絲和獲得的再生絲蛋白纖維結構上的差異，指導紡絲過程中各種參數的調節，最終獲得一種力學性能達到甚至超過從蠶體直接抽取的天然蠶絲的再生絲蛋白纖維，從理論上驗證絲蛋白纖維材料微觀結構與其巨觀力學性能之間的密切關係，並驗證對於動物絲優異的綜合力學性能而言，其吐絲過程和絲蛋白本身的特性至少同等重要的觀點。
結題摘要
動物絲，主要指蜘蛛或蠶絲，由於其優異的綜合力學性能，一直吸引著生物學家、化學家及材料學家們的注意。但是無論是天然蜘蛛絲還是天然蠶絲(指直接從蠶體抽取的蠶絲，而非指傳統的蠶繭絲)，雖然都具有非常優異的力學性能，由於獲取途徑的限制仍然無法直接大量利用。為了使這些高性能纖維材料得以實際套用，人工模擬生物紡絲可能是一個最好的選擇。我們曾採用15%的再生絲蛋白溶液作為紡絲液，30%的硫酸銨溶液作為凝固浴紡出了綜合力學性能超過天然蠶繭絲的再生絲蛋白纖維，本項目在此基礎上對我們獨創的紡絲方法進行詳細研究，明確紡絲過程中各個參數對於最終再生絲蛋白纖維性能的影響。首先我們發現，在紡絲過程中第二輥的拉伸速度不易過快，採用三段拉伸的效果比二段拉伸要好。接著發現凝固浴的溫度和濃度對再生絲蛋白纖維的形貌和性能也有明顯的影響，在絲蛋白紡絲液中添加適量的鈣離子有利於改善再生絲蛋白纖維的形貌和力學性能。總而言之，調整紡絲過程中各個參數可以最佳化紡絲條件，從而獲得力學性能較優的再生絲蛋白纖維。目前獲得的再生絲蛋白纖維斷裂能接近80 kJ/kg，為天然蠶繭絲的2倍，與直接從蠶體抽取的蠶絲相當。 同時，選擇了乙二醇、丙三醇、聚乙二醇400以及聚乙二醇2000作為凝固浴來研究再生絲蛋白水溶液的可紡性和獲得的再生絲蛋白纖維的形貌和性能。結果表明，這些物質作為凝固浴都能夠紡出形貌和性能良好的再生絲蛋白纖維，其中以丙三醇作為凝固浴得到的再生絲蛋白纖維性能最優。結合採用紅外光譜跟蹤一元醇和多元醇誘導絲蛋白發生構象轉變的動力學過程，發現凝固浴對再生絲蛋白纖維性能的影響，與作為凝固浴的有機溶劑本身對絲蛋白構象轉變的能力密切相關。絲蛋白的構象轉變過快或過慢都會對再生絲蛋白的形貌和力學性能產生不利影響。只有當構象轉變速度既滿足凝固的需要，又可以使初生纖維中的絲蛋白分子鏈仍具有一定的運動性，從而在後拉伸過程中沿纖維軸充分取向，才能獲得高性能的再生絲蛋白纖維。 最後，採用同步輻射紅外顯微光譜對動物絲單絲進行結構表征，不僅獲得了高質量的動物絲單絲的紅外光譜，而且建立了半定量計算單絲中β-摺疊含量以及分子鏈的取向度的方法。發現在動物絲拉伸過程中，β-摺疊含量和取向並未發生明顯變化，但α-螺旋和無規線團的取向程度明顯提高，表明α-螺旋和無規線團對拉伸應變具有決定性作用，這些研究結果能夠進一步來指導人工紡絲過程中各種工藝參數的選擇。
