納米粒子共混增強制備高力學(xué)性能再生蠶絲

發(fā)布時間：2020-10-17 02:30

　　再生蠶絲作為一種天然高分子材料,同殼聚糖、膠原、甲殼素一樣,具有無毒、無刺激性、可降解和良好的生物相容性,是組織工程領(lǐng)域的常用材料。然而,再生蠶絲的力學(xué)性能一直很難提高,表現(xiàn)出斷裂強度低、柔韌性差等問題,因此,提高再生蠶絲的力學(xué)性能對于再生蠶絲的應(yīng)用與發(fā)展具有重要意義。納米材料是指三維空間尺度至少有一維處于納米量級(1-100nm)的材料,它是由尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間的納米粒子所組成的新一代材料。納米材料的小尺寸效應(yīng)使其在力學(xué)方面優(yōu)于普通材料。采用納米材料共混濕法紡絲法制備力學(xué)性能增強的再生蠶絲,該方法成本較低、環(huán)境友好、簡單易行,具有廣闊的工業(yè)化前景。本文首先對濕法紡絲工藝參數(shù)進行了優(yōu)化,研究了不同紡絲液濃度、不同拉伸倍率和浸泡乙醇時間對再生絲素蛋白纖維力學(xué)性能的影響,找出較佳的紡絲條件,然后選用銅納米粒子(Cu NPs)、氧化銅納米粒子(CuO NPs)和硫酸銅(CuSO4)溶液作為共混材料,通過濕法紡絲法三種材料對再生蠶絲形貌、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。主要研究結(jié)果如下:1.本論文通過濕法紡絲法進行再生蠶絲的制備,以再生蠶絲力學(xué)性能為指標(biāo),研究不同紡絲液濃度、不同拉伸倍率、乙醇浸泡時間對再生蠶絲的力學(xué)性能的影響。找出了較佳的紡絲液濃度、較佳的拉伸倍率和乙醇浸泡時間。為后續(xù)研究納米粒子對再生蠶絲力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)的影響提供了一定的基礎(chǔ)。2.通過比較在不同紡絲液濃度和不同拉伸倍率條件下制備的再生蠶絲力學(xué)性能發(fā)現(xiàn),紡絲液濃度和拉伸倍率對再生蠶絲力學(xué)性能有很大影響。當(dāng)紡絲液濃度為15%,拉伸倍率為3倍拉伸時,再生蠶絲力學(xué)性能達到最佳。3.通過濕法紡絲法制備再生蠶絲后(紡絲液濃度為15%,拉伸倍率為3倍拉伸)進行乙醇浸泡后處理,研究了不同浸泡時間對再生蠶絲的力學(xué)性影響。結(jié)果表明,浸泡乙醇對再生蠶絲力學(xué)性能沒有明顯改變,表明通過預(yù)實驗篩選的紡絲速度可以達到使再生蠶絲基本凝固的要求。4.通過分別共混不同量的銅納米粒子、氧化銅納米粒子和硫酸銅制備再生絲素蛋白纖維,研究了不同共混比的銅納米粒子、氧化銅納米粒子和硫酸銅對再生絲素蛋白纖維的形貌、力學(xué)性能以及結(jié)構(gòu)的影響。掃描電鏡(SEM)結(jié)果表明,共混銅納米粒子、氧化銅納米粒子和硫酸銅對再生蠶絲形貌沒有明顯改變。力學(xué)測試結(jié)果表明,再生蠶絲力學(xué)性能隨銅納米粒子、氧化銅納米粒子和硫酸銅共混比的增大先提高后降低,當(dāng)銅納米粒子共混比達到4 mg/g Cu NPs/SF時,制備得到的再生蠶絲力學(xué)性能較佳,斷裂強度和斷裂伸長率分別為286.42±17.33MPa、24.70±6.32 MPa,相比未共混銅納米粒子制備得到的再生蠶絲力學(xué)性能提高了71.56%、43.32%;當(dāng)氧化銅納米粒子共混比達到1 mg/g CuO NPs/SF時,制備得到的再生蠶絲力學(xué)性能較佳,斷裂強度和斷裂伸長率分別為241.31±22.18 MPa、75.21±16.55 MPa,相比未共混氧化銅納米粒子制備得到的再生蠶絲力學(xué)性能提高了44.5%、210.04%;當(dāng)硫酸銅共混比達到1 mg/g CuSO4/SF時,制備得到的再生蠶絲力學(xué)性能較佳,斷裂強度和斷裂伸長率分別為202.33±18.18 MPa、38.58±11.22 MPa,相比未共混硫酸銅制備得到的再生蠶絲力學(xué)性能提高了21.19%、59.22%。紅外光譜、X射線衍射以及熱重分析結(jié)果表明,共混銅納米粒子、氧化銅納米粒子和硫酸銅后制備的再生蠶絲相比未共混制備的再生蠶絲主體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變;根據(jù)紅外光譜去卷積技術(shù)發(fā)現(xiàn)共混銅納米粒子、氧化銅納米粒子和硫酸銅后,再生蠶絲的二級結(jié)構(gòu)含量發(fā)生改變,呈現(xiàn)無規(guī)卷曲和α-螺旋含量升高,β-折疊含量降低的趨勢。5.通過比較分別共混銅納米粒子、氧化銅納米粒子和硫酸銅制備得到的再生蠶絲斷裂強度和斷裂伸長率,綜合屈服應(yīng)力和屈服伸長率,它們對再生蠶絲力學(xué)性能提高順序為:銅納米粒子氧化銅納米粒子硫酸銅。這種納米粒子共混增強再生蠶絲力學(xué)性能的方法成本低,易操作,綠色環(huán)保,對大規(guī)模制備高性能再生蠶絲有重要意義,具有廣闊的工業(yè)化前景。
【學(xué)位單位】：江蘇科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB383.1;TS102.33
【部分圖文】：

蠶絲,掃描電鏡圖,絲膠蛋白,蠶絲蛋白

如圖1.1 所示。絲膠蛋白呈球形，它自身所攜帶的親水基團的氨基酸含量占絲膠蛋白總量的 61%左右，絲膠蛋白易溶于水，占蠶絲蛋白的 25%左右，是一種潛在的過敏原，一般通過在熱水中繅絲脫去[6]。絲素蛋白是構(gòu)成蠶絲的主要成分，約占蠶絲蛋白的 70%左右，其橫截面呈三角形，結(jié)晶度為 40%~50%，較難溶于水。絲素分子分子量很大，分子結(jié)構(gòu)及分子間作用力比較復(fù)雜。圖 1.1 蠶絲掃描電鏡圖[7]Fig. 1.1 SEM of silk fiber[7]

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