CN102181957A - 一种再生蚕丝蛋白纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种再生蚕丝蛋白纤维的制备方法,以含钙离子的再生丝素蛋白水溶液作为纺丝液,在5~35℃的温度范围内将该纺丝液从喷丝口挤出后直接在空气中固化成丝,并以醇-水混合溶液作为处理剂进行后处理,然后取出晾干,即得到最终的再生蚕丝蛋白纤维。本发明原料来源广泛、成本低廉,整个过程不但克服了传统湿法纺丝溶剂与凝固浴腐蚀性强、有毒等缺点;而且,与其它再生蚕丝蛋白干纺纤维相比,优化了纺丝液条件,省去了调节pH的繁琐步骤及避免了一系列溶剂的使用。这使该工艺过程不但节省了成本,且更为环保。所得再生蚕丝蛋白纤维具有无毒、对人体无害等优点,有良好的生物相容性,适合应用于生物医用材料,具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于纺织纤维、材料科学、仿生学的技术领域,涉及一种再生蚕丝蛋白纤维的制备方法,以添加了适量钙离子的高浓度再生丝素蛋白水溶液(质量百分比50%~60%)为纺丝液,通过干纺的纺丝工艺制备了再生蚕丝蛋白纤维,以醇-水混合溶液为处理剂,获得高性能再生蚕丝纤维及其制备方法。
背景技术
蜘蛛和蚕都能在经济环保的条件下,即以水为溶剂,在常温、常压下,以最小能量、最高效率纺出强韧的纤维。目前,对蜘蛛和蚕的仿生纺丝技术的研究,正成为众多领域尤其是高分子材料领域近年来研究的热点之一。鉴于蚕丝来源丰富、便于提纯,因此,以蚕丝丝素蛋白为模型来进行仿生纺丝研究越来越引起研究者的重视。
研究表明,蚕的后部丝腺能合成分泌出大量浓度为12%的凝胶状丝素蛋白水溶液,向前移动到比较宽大的中部丝腺暂时储存起来,流入中部丝腺的丝素溶液被液状丝胶包围,并靠腺腔内的压力,一起被送入前部丝腺。随后,在逐渐变细的前部丝腺内,凝胶状的溶液被转变为溶胶态,并进一步转变为液晶态(迄今为止人类是这样认为的)。整齐排列的丝蛋白分子使溶液粘度降低,以便于其通过细长的前部丝腺及吐丝管从而得到高性能的纤维。整个过程中,随着浓度、pH值、金属离子和剪切作用等因素的改变,丝蛋白构象由可溶性的无规线团和/或α-螺旋螺旋构象,变成不溶于水的β-折叠构象。其中,研究者们认为随pH值的降低至关重要,当丝素溶液呈酸性时(如pH=5.2下),丝素蛋白溶液中卷曲链的氢键难以稳定存在,故在流动剪切的作用下会倾向于伸直,并且在伸直链间形成新的氢键,即有利于形成β-折叠构象。
对于再生蚕丝蛋白的人工纺丝,一直是化学纤维领域寻求解决的问题。专利US 1934413和GB 385516以铜氨溶液为溶剂制造了再生蚕丝蛋白纤维;专利US 1936753以硫酸或磷酸为溶剂纺制了再生蚕丝蛋白纤维。杜邦公司采用六氟异丙醇(US 5252285)作为溶剂,采用醇作为凝固浴的纺丝方法;我国已公开的专利中,如申请号为95111366.6、94114071.7、02109229.3的专利报道了用蚕蛹蛋白、蚕丝蛋白与合成高分子制备复合纤维的方法。这些专利采用的溶剂或腐蚀性强、或具有毒性或价格昂贵不利于工业化。申请号为200510024438.4和200510024440.1的专利采用高浓度再生丝素蛋白水溶液作为纺丝原液,用无机盐溶液或醇类溶液作为凝固浴,通过湿法纺丝制备了再生蚕丝蛋白纤维。考虑到pH值的降低有利于β-折叠构象的形成,申请号为200910198792.7的专利以高浓度再生丝素蛋白水溶液为纺丝液,调节了溶液的pH值和Ca2+浓度后,采用干法纺丝方法制备了再生蚕丝蛋白纤维,并通过乙醇后处理该再生蚕丝蛋白纤维,可使其的断裂强度达到300MPa。但是,该纺丝工艺中需要采用缓冲体系对再生丝素蛋白溶液的pH值进行调整,步骤较为繁琐,并且伴有较多的废液(如pH缓冲剂),不太符合当前开发新材料所要求的低碳环保新理念。
因此,本发明从模拟蚕的吐丝过程为出发点,采用仿生程度较高的干法纺丝工艺,以高浓度再生丝素蛋白水溶液为纺丝液,通过仅调节溶液的钙离子含量,采用干法纺丝工艺制备了再生蚕丝纤维,并通过在醇-水混合溶液中后处理,得到了性能优良的再生丝纤维。
发明内容
本发明的目的在于提供一种干法纺丝制备再生蚕丝蛋白纤维的方法,是一种具备制备优异力学性能再生蚕丝纤维的方法。本发明提出的再生蚕丝纤维的制备方法,是将仅添加了氯化钙的再生丝蛋白水溶液作为纺丝原液进行干纺、用醇-水混合液作为后处理剂、然后经过后拉伸处理的方法。通过该方法可以获得力学性能与天然蚕丝相同甚至更好的再生蚕丝纤维,且具有与天然蚕丝相似的微观结构和构象。同时,该方法简单、成本低、对环境无污染和伤害。
本发明的一种再生蚕丝蛋白纤维的制备方法,以含有氯化钙的再生丝素蛋白水溶液作为纺丝液,在5~35℃的温度范围内将该纺丝液从喷丝口挤出后直接在空气中固化成丝,并以醇-水混合溶液作为处理剂进行后处理,然后取出晾干,即得到最终的再生蚕丝蛋白纤维;
其中,所述氯化钙溶解在纺丝液中,其钙离子的摩尔浓度为0.45~0.90mol/L,但不排除使用其他含钙化合物的可能,如溴化钙、碘化钙及其酸式盐的一种或几种,也不排除使用其他二价金属离子化合物作为添加剂进行纺丝的可能,如含有镁离子、铜离子、锌离子、锰离子、镍离子的盐溶液及其酸式盐的一种或几种;
所述再生丝素蛋白占纺丝液的质量百分比为50%~60%,但由于蚕体内的丝素蛋白占纺丝液的质量百分比为30%~40%时便可进行干法纺丝,因此不排除当再生丝素蛋白占再生丝素蛋白水溶液的质量百分比小于50%时,该溶液具有可纺性的可能;
所述的后处理是指:将固化成形的丝浸入所述处理剂中拉伸到初始长度的1至6倍后,在所述处理剂中定长浸泡1.5至3.5小时。考虑到可以采用的各种拉伸方式,如机械拉伸、手工拉伸、卷绕拉伸等,不排除可以拉伸更大倍数的可能;并且,由于众多研究表明再生丝素蛋白经醇-水溶液浸泡后,力学性能大幅提升,故不排除当浸泡时间小于1.5小时或大于3.5小时时,会使再生蚕丝蛋白纤维的力学性能提高。
作为优选的技术方案:
其中,如上所述的一种再生蚕丝蛋白纤维的制备方法,所述纺丝液的制备步骤为:(1)将蚕茧用质量百分比为0.3%~0.7%的Na2C03水溶液脱胶后,溶解于摩尔浓度为9.0~9.5mol/L的溴化锂水溶液中,得到再生丝素蛋白-溴化锂水溶液;(2)将此溶液离心、过滤、透析和浓缩,得到质量百分比为20%的纯再生丝素蛋白水溶液;(3)在纯再生丝素蛋白水溶液中添加摩尔浓度为1.5~3mol/L的氯化钙水溶液,得到钙离子摩尔浓度为0.15~0.3mol/L的再生丝素蛋白水溶液;(4)继续浓缩使再生丝素蛋白质量百分比为50%~60%,得到纺丝液。
如上所述的一种再生蚕丝蛋白纤维的制备方法,所述的醇为甲醇、乙醇或异丙醇中一种或几种的组合,但不排除其他醇-水混合溶液的可能,如正丙醇、丁醇、二丁醇、异丁醇的一种或几种,及其他无机盐水溶液作为处理剂,如碳酸钠、硫酸钠、碳酸铵、硫酸铵及其酸式盐以及氯化铵、氯化钠的一种或几种。
如上所述的一种再生蚕丝蛋白纤维的制备方法,所述的醇-水混合溶液中醇占醇-水混合溶液总体积的70~95%,由于醇和水可以以任何比例进行混合,故不排除采用其他比例的醇-水混合溶液作为处理剂的可能。
本发明采用再生丝蛋白水溶液作为纺丝原液,这与其它发明专利中采用的纺丝原液相比,最大的不同在于纺丝液在仅添加钙离子的条件下,通过适当的浓缩过程即可获得。研究表明钙离子可与丝素蛋白分子形成配合物,这种结构在进一步的剪切外力作用下,易于使丝素蛋白分子发生有序排列和形成β-折叠构象。该方法在保证丝素蛋白较高浓度的前提下,避免了有机溶剂(如甲酸、六氟异丙醇等)的使用,同时省去了调节pH的繁琐步骤并避免了一些溶剂的使用(如柠檬酸、氢氧化钠和盐酸等),这不仅有效的控制了丝素蛋白的降解,还大大降低了生产成本,而且不会对环境造成污染和伤害。
本发明所采用的后处理剂为醇-水混合溶液,成本低,污染小,可回收。当初生丝与处理剂接触时,丝素蛋白的构象发生转变形成结晶结构,经过进一步的拉伸,转变成为高取向β-折叠构象,从而获得力学性能优良的再生蚕丝纤维,并且具备与天然蚕丝相似的微观结构和构象,其断裂强度为0.17~0.35GPa,断裂伸长率为10%~34%。
有益效果
本发明的一种再生蚕丝蛋白纤维的制备方法,在保证丝蛋白较高浓度的前提下,避免了有机溶剂(如甲酸、六氟异丙醇等)的使用,同时省去了调节pH的繁琐步骤并避免了一些溶剂的使用(如柠檬酸、氢氧化钠和盐酸等),这不仅有效的控制了蛋白的降解,还大大降低了生产成本,而且不会对环境造成污染和伤害。按照本发明的方法制得的再生蚕丝蛋白纤维,其断裂强度为0.17~0.35GPa,断裂伸长率为10%~34%。
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
纺丝液的制备:
(1)将蚕茧用质量百分比为0.3%的Na2CO3水溶液脱胶后,溶解于摩尔浓度为9.0mol/L的溴化锂水溶液中,得到再生丝素蛋白-溴化锂水溶液;
(2)将此溶液离心、过滤、透析和浓缩,得到质量百分比为18%的纯再生丝素蛋白水溶液;
(3)在纯再生丝素蛋白水溶液中添加摩尔浓度为1.5mol/L的氯化钙水溶液,得到钙离子摩尔浓度为0.15mol/L的再生丝素蛋白水溶液;(4)继续浓缩使再生丝素蛋白质量百分比为50%,得到纺丝液。
再生蚕丝蛋白纤维的制备:
温度为5℃时,将该纺丝液从喷丝口挤出后直接在空气中固化成丝,并以甲醇体积百分比为70%的甲醇-水混合溶液作为处理剂,将固化成的丝浸入该处理剂中拉伸1倍后,在所述处理剂中定长浸泡1.5小时。
然后取出晾干,即得到最终的再生蚕丝蛋白纤维,其断裂强度为0.17GPa,断裂伸长率为10%。
实施例2
纺丝液的制备:
(1)将蚕茧用质量百分比为0.7%的Na2CO3水溶液脱胶后,溶解于摩尔浓度为9.5mol/L的溴化锂水溶液中,得到再生丝素蛋白-溴化锂水溶液;
(2)将此溶液离心、过滤、透析和浓缩,得到质量百分比为20%的纯再生丝素蛋白水溶液;
(3)在纯再生丝素蛋白水溶液中添加摩尔浓度为3.0mol/L的氯化钙水溶液,得到钙离子摩尔浓度为0.3mol/L的再生丝素蛋白水溶液;(4)继续浓缩使再生丝素蛋白质量百分比为60%,得到纺丝液。
再生蚕丝蛋白纤维的制备:
温度为35℃时,将该纺丝液从喷丝口挤出后直接在空气中固化成丝,并以异丙醇体积百分比为95%的异丙醇-水混合溶液作为处理剂,将固化成的丝浸入该处理剂中拉伸3倍后,在所述处理剂中定长浸泡3.5小时。
然后取出晾干,即得到最终的再生蚕丝蛋白纤维,其断裂强度为0.25GPa,断裂伸长率为21%。
实施例3
纺丝液的制备:
(1)将蚕茧用质量百分比为0.5%的Na2CO3水溶液脱胶后,溶解于摩尔浓度为9.2mol/L的溴化锂水溶液中,得到再生丝素蛋白-溴化锂水溶液;
(2)将此溶液离心、过滤、透析和浓缩,得到质量百分比为19%的纯再生丝素蛋白水溶液;
(3)在纯再生丝素蛋白水溶液中添加摩尔浓度为3.0mol/L的氯化钙水溶液,得到钙离子摩尔浓度为0.3mol/L的再生丝素蛋白水溶液;(4)继续浓缩使再生丝素蛋白质量百分比为53%,得到纺丝液。
再生蚕丝蛋白纤维的制备:
温度为20℃时,将该纺丝液从喷丝口挤出后直接在空气中固化成丝,并以乙醇体积百分比为80%的乙醇-水混合溶液作为处理剂,将固化成的丝浸入该处理剂中拉伸6倍后,在所述处理剂中定长浸泡3.5小时。
然后取出晾干,即得到最终的再生蚕丝蛋白纤维,其断裂强度为0.35GPa,断裂伸长率为34%。
实施例4
纺丝液的制备:
(1)将蚕茧用质量百分比为0.4%的Na2CO3水溶液脱胶后,溶解于摩尔浓度为9.0mol/L的溴化锂水溶液中,得到再生丝素蛋白-溴化锂水溶液;
(2)将此溶液离心、过滤、透析和浓缩,得到质量百分比为20%的纯再生丝素蛋白水溶液;
(3)在纯再生丝素蛋白水溶液中添加摩尔浓度为2.25mol/L的氯化钙水溶液,得到钙离子摩尔浓度为0.225mol/L的再生丝素蛋白水溶液;(4)继续浓缩使再生丝素蛋白质量百分比为55%,得到纺丝液。
再生蚕丝蛋白纤维的制备:
温度为15℃时,下将该纺丝液从喷丝口挤出后直接在空气中固化成丝,并以甲醇体积百分比为30%,乙醇体积百分比为50%的甲醇-乙醇-水混合溶液作为处理剂,将固化成的丝浸入该处理剂中拉伸3倍后,在所述处理剂中定长浸泡3小时。
然后取出晾干,即得到最终的再生蚕丝蛋白纤维,其断裂强度为0.28GPa,断裂伸长率为27%。
实施例5
纺丝液的制备:
(1)将蚕茧用质量百分比为0.6%的Na2CO3水溶液脱胶后,溶解于摩尔浓度为9.2mol/L的溴化锂水溶液中,得到再生丝素蛋白-溴化锂水溶液;
(2)将此溶液离心、过滤、透析和浓缩,得到质量百分比为18%的纯再生丝素蛋白水溶液;
(3)在纯再生丝素蛋白水溶液中添加摩尔浓度为3.0mol/L的氯化钙水溶液,得到钙离子摩尔浓度为0.3mol/L的再生丝素蛋白水溶液;(4)继续浓缩使再生丝素蛋白质量百分比为57%,得到纺丝液。
再生蚕丝蛋白纤维的制备:
温度为15℃时,下将该纺丝液从喷丝口挤出后直接在空气中固化成丝,并以甲醇体积百分比为40%,异丙醇体积百分比为50%%的甲醇-异丙醇-水混合溶液作为处理剂,将固化成的丝浸入该处理剂中拉伸2倍后,在所述处理剂中定长浸泡2小时。
然后取出晾干,即得到最终的再生蚕丝蛋白纤维,其断裂强度为0.21GPa,断裂伸长率为19%。
实施例6
纺丝液的制备:
(1)将蚕茧用质量百分比为0.5%的Na2CO3水溶液脱胶后,溶解于摩尔浓度为9.4mol/L的溴化锂水溶液中,得到再生丝素蛋白-溴化锂水溶液;
(2)将此溶液离心、过滤、透析和浓缩,得到质量百分比为20%的纯再生丝素蛋白水溶液;
(3)在纯再生丝素蛋白水溶液中添加摩尔浓度为2.25mol/L的氯化钙水溶液,得到钙离子摩尔浓度为0.225mol/L的再生丝素蛋白水溶液;(4)继续浓缩使再生丝素蛋白质量百分比为56%,得到纺丝液。
再生蚕丝蛋白纤维的制备:
温度为20℃时,将该纺丝液从喷丝口挤出后直接在空气中固化成丝,并以乙醇体积百分比为50%,异丙醇体积百分比为20%的异丙醇-乙醇-水混合溶液作为处理剂,将固化成的丝浸入该处理剂中拉伸5倍后,在所述处理剂中定长浸泡3小时。
然后取出晾干,即得到最终的再生蚕丝蛋白纤维,其断裂强度为0.31GPa,断裂伸长率为31%。
实施例7
纺丝液的制备:
(1)将蚕茧用质量百分比为0.4%的Na2CO3水溶液脱胶后,溶解于摩尔浓度为9.0mol/L的溴化锂水溶液中,得到再生丝素蛋白-溴化锂水溶液;
(2)将此溶液离心、过滤、透析和浓缩,得到质量百分比为20%的纯再生丝素蛋白水溶液;
(3)在纯再生丝素蛋白水溶液中添加摩尔浓度为3.0mol/L的氯化钙水溶液,得到钙离子摩尔浓度为0.3mol/L的再生丝素蛋白水溶液;(4)继续浓缩使再生丝素蛋白质量百分比为51%,得到纺丝液。
再生蚕丝蛋白纤维的制备:
温度为10℃时,将该纺丝液从喷丝口挤出后直接在空气中固化成丝,并以甲醇体积百分比为20%,乙醇体积百分比为40%,异丙醇体积百分比为20%的甲醇-乙醇-异丙醇水混合溶液作为处理剂,将固化成的丝浸入该处理剂中拉伸2倍后,在所述处理剂中定长浸泡1.5小时。
然后取出晾干,即得到最终的再生蚕丝蛋白纤维,其断裂强度为0.20GPa,断裂伸长率为19%。
实施例8
纺丝液的制备:
(1)将蚕茧用质量百分比为0.5%的Na2CO3水溶液脱胶后,溶解于摩尔浓度为9.1mol/L的溴化锂水溶液中,得到再生丝素蛋白-溴化锂水溶液;
(2)将此溶液离心、过滤、透析和浓缩,得到质量百分比为20%的纯再生丝素蛋白水溶液;
(3)在纯再生丝素蛋白水溶液中添加摩尔浓度为1.5mol/L的氯化钙水溶液,得到钙离子摩尔浓度为0.15mol/L的再生丝素蛋白水溶液;(4)继续浓缩使再生丝素蛋白质量百分比为58%,得到纺丝液。
再生蚕丝蛋白纤维的制备:
温度为25℃时,将该纺丝液从喷丝口挤出后直接在空气中固化成丝,并以乙醇体积百分比为80%的乙醇-水混合溶液作为处理剂,将固化成的丝浸入该处理剂中拉伸4倍后,在所述处理剂中定长浸泡3.5小时。
然后取出晾干,即得到最终的再生蚕丝蛋白纤维,其断裂强度为0.29GPa,断裂伸长率为28%。
Claims (4)
1.一种再生蚕丝蛋白纤维的制备方法,其特征是:以含氯化钙的再生丝素蛋白水溶液作为纺丝液,在5~35℃的温度范围内将该纺丝液从喷丝口挤出后直接在空气中固化成丝,并以醇-水混合溶液作为处理剂进行后处理,然后取出晾干,即得到最终的再生蚕丝蛋白纤维;
其中,所述氯化钙溶解在纺丝液中,其钙离子的摩尔浓度为0.45~0.90mol/L,所述再生丝素蛋白占纺丝液的质量百分比为50%~60%;
所述的后处理是指:将固化成的丝浸入所述处理剂中拉伸1至6倍后,在所述处理剂中定长浸泡1.5至3.5小时。
2.根据权利要求1所述的一种再生蚕丝蛋白纤维的制备方法,其特征在于,所述纺丝液的制备步骤为:(1)将蚕茧用质量百分比为0.3%~0.7%的Na2CO3水溶液脱胶后,溶解于摩尔浓度为9.0~9.5mol/L的溴化锂水溶液中,得到再生丝素蛋白-溴化锂水溶液;(2)将此溶液离心、过滤、透析和浓缩,得到质量百分比为18~20%的纯再生丝素蛋白水溶液;(3)在纯再生丝素蛋白水溶液中添加摩尔浓度为1.5~3mol/L的氯化钙水溶液,得到钙离子摩尔浓度为0.15~0.3mol/L的再生丝素蛋白水溶液;(4)继续浓缩使再生丝素蛋白质量百分比为50%~60%,得到纺丝液。
3.根据权利要求1所述的一种再生蚕丝蛋白纤维的制备方法,其特征在于,所述的醇为甲醇、乙醇或异丙醇中一种或几种的组合。
4.根据权利要求1所述的一种再生蚕丝蛋白纤维的制备方法,其特征在于,所述的醇-水混合溶液中醇占醇-水混合溶液总体积的70~95%。
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