氯化鈣/甲酸溶解體系下氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)蠶絲溶解性的影響

吳惠英， 左保齊， 周 燕

(1. 蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 蘇州 215009； 2. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215006； 3. 現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(蘇州)， 江蘇 蘇州 215123)

再生絲素蛋白具有良好的親和性，無(wú)毒、無(wú)污染、無(wú)刺激性，良好的細(xì)胞附著率和增殖率，具有良好的生物可降解性[1-2]。絲素蛋白在組織工程諸多器官的體外構(gòu)建中被用作細(xì)胞支架材料, 如組織工程化皮膚、軟骨、肌腱、血管等[3]。天然蠶絲的再生過(guò)程首先是蠶絲的溶解，其溶解方式有很多，主要采用的溶劑有H2SO4/H3PO4[4]、銅氨溶劑[5-6]、Ca(NO3)2/CH3OH[7-8]、LiBr/C2H5OH/H2O[9]等。目前主要采用的是LiBr/C2H5OH/H2O(物質(zhì)的量比為1∶2∶8)三元溶液溶解絲素，后經(jīng)過(guò)脫鹽處理制得絲素蛋白溶液。但這種方法溶解蠶絲后溶液需透析3 d，再次干燥成膜后進(jìn)行溶解紡絲等過(guò)程，流程長(zhǎng)，成本高。

本文采用CaCl2/FA(Formic Acid)溶解體系，將脫膠蠶絲直接溶解于混合溶液中，討論蠶絲在該體系下的溶解情況，討論溶解過(guò)程中不同CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)溶解性的影響，并對(duì)絲素溶液進(jìn)行形態(tài)觀察、流變分析，然后將絲素溶液干燥成膜后進(jìn)行紅外測(cè)試及X衍射測(cè)試來(lái)分析材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料：桑蠶絲；碳酸鈉、氯化鈣(上海試劑總廠)，甲酸(江蘇強(qiáng)盛化工有限公司)。

日立S- 4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(日本 Hitachi 公司)；NICOLET 5700智能型傅里葉紅外光譜儀(美國(guó)Thermo Nicolet 公司)；X′Pert Pro MPD X射線衍射儀(荷蘭PAN alytical 公司)；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鞏義市英峪予華儀器廠)。

1.2 天然蠶絲的溶解

1.2.1脫膠過(guò)程

用分析天平稱取一定量的天然桑蠶絲，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的碳酸鈉(Na2CO3)溶液按1∶20的浴比煮沸30 min，上述脫膠過(guò)程反復(fù)3次，每次脫膠后用60 ℃以上的去離子水清洗，放在60 ℃的烘箱中烘干即為脫膠蠶絲。

1.2.2溶解過(guò)程

圖1示出脫膠蠶絲經(jīng)過(guò)不同溶劑即LiBr/C2H5OH/H2O三元溶液和CaCl2/FA溶解體系下的溶解過(guò)程。圖中顯示采用LiBr/C2H5OH/H2O三元溶液所需流程長(zhǎng)，且需要3 d的透析時(shí)間才可完成干燥成膜，進(jìn)而再次溶解進(jìn)行紡絲等再生絲素纖維的制備；而采用CaCl2/FA溶解方式，溶解后的絲素蛋白溶液可直接用來(lái)紡絲，流程短，成本相對(duì)較低。本文將脫膠蠶絲溶解在CaCl2/FA溶解體系中，討論不同CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)絲素溶解的影響。選擇相同的溶解時(shí)間、溶解溫度討論絲素的溶解度，然后對(duì)絲素濃度為8%，CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、5%、8%、10%時(shí)溶解后的絲素溶液進(jìn)行形態(tài)結(jié)構(gòu)、流變、紅外光譜以及X衍射測(cè)定分析，討論CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)絲素溶解的影響。

圖1 絲素不同溶解方式的流程圖Fig.1 Schematic of degummed silk dissolve by different methods

1.3 測(cè)試分析

1.3.1溶解度測(cè)定

取脫膠后的絲素若干，在溫度為25 ℃下溶解1 h，稱取溶解前后絲素質(zhì)量，按下式進(jìn)行溶解率計(jì)算。

式中：W0為溶解前質(zhì)量，g；W1為溶解后質(zhì)量，g。

1.3.2流變性能測(cè)試

采用AR2000型流變儀對(duì)絲素蛋白溶液進(jìn)行測(cè)定分析。選用35/1°Ti錐板，剪切速率為0.1～1 000 s-1，溫度控制在(25±0.5) ℃。

1.3.3形貌觀察

采用日立S- 4700型掃描電子顯微鏡觀察絲素溶液及絲素膜斷面的形態(tài)結(jié)構(gòu)，噴金厚度為20～30 nm。將再生絲素溶液稀釋至0.01 mg/mL，然后將稀釋后的絲素溶液2 μL滴加到硅片上，自然風(fēng)干后將硅片通過(guò)雙面膠黏貼在SEM載物臺(tái)上掃描觀察絲素溶液的微觀形態(tài)特征。將絲素溶液干燥成膜后，貼在SEM載物臺(tái)上掃描觀察絲素膜斷面的微觀形態(tài)特征。

1.3.4分子構(gòu)象表征

采用NICOLET5700型紅外光譜儀(掃描次數(shù)為32次，波數(shù)范圍為4 000～500 cm-1，光譜分辨率為4 cm-1)測(cè)定溶液成膜后的分子結(jié)構(gòu)。

1.3.5結(jié)晶結(jié)構(gòu)

采用PAN alytical 公司的X′Pert Pro MPD X射線衍射儀(CuKα靶，加速電壓為40 kV，電流為40 mA，λ=0.154 nm)測(cè)試溶液成膜后的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)蠶絲溶解性的影響

天然蠶絲不溶于水，但可溶于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和部分中性鹽溶液，CaCl2/FA溶解體系能夠?qū)⑿Q絲溶解，溶解過(guò)程分為溶液對(duì)纖維的滲透、破壞大分子內(nèi)部的副價(jià)鍵等幾個(gè)階段，纖維溶脹、體積增大后，鈣離子配位在絲素大分子鏈的氨基酸側(cè)基處，CaCl2濃度越高，對(duì)纖維的破壞作用越強(qiáng)烈，纖維溶解越多。圖2所示為絲素在不同CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CaCl2/FA混合溶液中的溶解情況。由圖2可見(jiàn)，在相同的溶解溫度、溶解時(shí)間作用下，絲素的溶解率隨著CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CaCl2的作用下，絲素的溶解行為均表現(xiàn)為前10 min溶解速度較快，溶解30 min后，絲素的溶解變緩，但仍呈上升趨勢(shì)。當(dāng)CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(如1%)時(shí)，絲素的溶解在30 min后變化不明顯，直至1 h絲素的溶解度只有3.62%；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)，絲素在1 h內(nèi)的溶解度可達(dá)19.8%。

圖2 CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)絲素溶解度的影響Fig.2 Effect of CaCl2 concentration on solubility of SF

2.2 絲素流變性能分析

聚合物溶液的流變性能對(duì)于聚合物的成型加工及最終產(chǎn)品的性能有著十分重要的影響[10]。圖3示出絲素在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CaCl2溶解下的流變曲線。當(dāng)CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，絲素溶液的流變曲線中剪切黏度隨剪切速率的增大先增加后減小，且黏度明顯高于其他質(zhì)量分?jǐn)?shù)值溶解下的絲素溶液。由于CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，部分絲素未充分溶解，在溶液中會(huì)有部分絲素纏結(jié)，剪切過(guò)程中需要更大的剪切力作用，因此表現(xiàn)為溶液黏度增加。當(dāng)CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，絲素在溶液中完全溶解，溶液黏度隨剪切速率變化不大，溶液顯示為牛頓流體的特性，并且溶液黏度較低。當(dāng)CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于5%～10%時(shí)，溶液的剪切黏度隨剪切速率的增大先增加后減小。剪切黏度隨剪切速率的增大而增大，屬于剪切增稠現(xiàn)象。剪切黏度隨剪切速率的增大而減小屬于剪切變稀現(xiàn)象。剪切增稠是因剪切速率增加到某一數(shù)值時(shí)共混液中有新的結(jié)構(gòu)形成，引起阻力增加，以致共混液的剪切黏度隨剪切速率的增加而增大。剪切變稀是因絲素蛋白溶液中纏結(jié)點(diǎn)的拆除，當(dāng)纏結(jié)點(diǎn)的拆除和重建達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡后，纏結(jié)點(diǎn)的濃度與剪切速率有關(guān)，柔性鏈分子的纏結(jié)點(diǎn)較多，因此，隨著剪切速率的增大，纏結(jié)點(diǎn)的拆除較多，纏結(jié)點(diǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降較快，因而表觀黏度也明顯下降[11-13]。

圖3 絲素溶液的流變曲線Fig.3 Rheological behavior of SF solutions

2.3 絲素溶液的形貌分析

將溶液制樣后在掃描電鏡下觀察，溶液的SEM照片如圖4所示。與傳統(tǒng)溶解方式LiBr/C2H5OH/H2O溶解法相比，絲素在CaCl2/FA溶解體系下的溶解行為有所不同。采用LiBr/C2H5OH/H2O溶解后，再生過(guò)程中，天然蠶絲的多級(jí)結(jié)構(gòu)被高濃度的LiBr水溶液完全破壞甚至明顯降解，將絲素自組裝微納結(jié)構(gòu)打開(kāi)為絲素大分子鏈段，導(dǎo)致蠶絲原有的優(yōu)良性能弱化甚至消失。而采用CaCl2/FA溶解后，絲素溶液中可清晰地觀察到納米纖維結(jié)構(gòu)，而不同的絲素結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致再生絲素纖維的性能差異。分子尺寸、尺寸分布及納米纖維結(jié)構(gòu)的尺寸及其取向等對(duì)再生絲素纖維的力學(xué)性能有所貢獻(xiàn)[14]，因此采用CaCl2/FA溶解方式得到溶液中存在的納米纖維結(jié)構(gòu)對(duì)靜電紡絲或濕法紡絲形成纖維的力學(xué)性能有所提高。

將CaCl2/FA溶解后的絲素溶液置于塑料皿干燥，溶劑揮發(fā)干燥成膜后，置于去離子水中浸泡4～6 h，去鹽，室溫干燥。圖5示出絲素干燥膜斷面的SEM照片，在干燥膜斷面內(nèi)仍能觀察到納米纖維結(jié)構(gòu)。隨著CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，絲素膜的致密程度逐漸增加。

圖4 絲素溶液的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM of SF solutions

圖5 絲素干燥膜斷面的SEM照片 (×5 000)Fig.5 Section SEM of SF films (×5 000) at concentration of CaCl2 1% (a), 2% (b), 5% (c), 8% (d), and 10% (e)

2.4 絲素蛋白的紅外光譜分析

紅外光譜是研究絲素蛋白構(gòu)象的簡(jiǎn)單而實(shí)用的方法之一，常被用來(lái)定量或定性表征絲素蛋白分子構(gòu)象的轉(zhuǎn)變[15]。將溶液至于塑料皿中晾干，放在去離子水中浸泡去鹽后室溫干燥，測(cè)試干燥膜的紅外光譜圖如圖6所示。絲素的主要特征吸收峰1 640～1 625 cm-1(酰胺Ⅰ)、1 530～1 515 cm-1(酰胺Ⅱ)、1 265cm-1(酰胺Ⅲ)為β-折疊構(gòu)象[16-17]。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CaCl2溶解的絲素蛋白溶液表現(xiàn)出相似的吸收譜帶。圖6中主要酰胺峰分別在1 628、1 527、1 238 cm-1附近，說(shuō)明通過(guò)CaCl2/FA溶解后的絲素溶液中絲素蛋白大分子以β-折疊結(jié)構(gòu)為主。但隨著CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，絲素的吸收峰變寬，尖銳度變差。

圖6 絲素膜的紅外光譜圖Fig.6 FT-IR curves of SF films

2.5 絲素的X衍射分析

圖7示出溶解后絲素溶液成膜的X衍射曲線。結(jié)晶結(jié)構(gòu)的絲素尤其是SilkⅡ中，肽鏈鏈段的排列較整齊，相鄰鏈段之間的氫鍵和分子間引力使它們結(jié)合得相當(dāng)緊密[18]。從圖中可看出，當(dāng)CaCl2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(1%、2%和5%)時(shí)，在9.5°處有寬圓峰，屬于Silk II結(jié)構(gòu)。而5種質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶解的絲素溶液在20.5°和23.9°處分別有尖峰，均屬于Silk II結(jié)構(gòu)，其中CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%和5%時(shí)的峰更尖銳。當(dāng)CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，再生絲素膜顯示出1個(gè)較寬的衍射峰，峰位介于20°～23°之間。

圖7 絲素膜的X衍射譜圖Fig.7 XRD curves of SF films

3 結(jié) 論

采用CaCl2/FA溶解體系溶解絲素，在相同的溶解溫度、溶解時(shí)間作用下，絲素的溶解度隨著CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增加，溶解前10 min溶解速度較快，溶解30 min后，絲素的溶解變緩，但仍呈上升趨勢(shì)，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)，絲素在1 h內(nèi)的溶解度可達(dá)19.8%。流變分析表明，絲素溶液的流變曲線中剪切黏度隨剪切速率的增大先增加后減小，表現(xiàn)為剪切增稠現(xiàn)象，CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，黏度明顯高于其他濃度值溶解下的絲素溶液。SEM表明，絲素溶液以及絲素干燥膜中均可清晰觀察到納米纖維結(jié)構(gòu)。隨著CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，絲素膜的致密程度逐漸增加。紅外光譜分析表明，該溶解體系制備的絲素蛋白溶液中絲素蛋白大分子以β-折疊結(jié)構(gòu)為主，主要酰胺峰分別在1 628、1 527、1 238 cm-1附近，而CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同對(duì)絲素溶液的結(jié)構(gòu)影響不明顯。X衍射分析表明，當(dāng)CaCl2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(1%、2%和5%)時(shí)，在9.5°處有寬圓峰，5種質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶解的絲素溶液在20.5°和23.9°處分別有尖峰，均屬于Silk II結(jié)構(gòu)。

FZXB

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