二硫化钼纳米片对家蚕生长性状和蚕丝性能的影响

发布时间：2020-05-02 17:53

【摘要】：近年来,蚕丝作为一种生物材料被广泛应用于药物、生物、组织等领域。为了获得机械性能和功能性增强的蚕丝,研究者们已经做了很多工作,包括化学修饰,物理改性,共混改性,添食法等。其中,添食法是通过给家蚕喂食功能性材料,从而获得功能性蚕丝的改性方法。该方法简单高效,具有广阔的规模化生产前景。研究表明,分别给家蚕添食一定浓度的石墨烯、铜、二氧化钛、四氧化三铁等,能显著地提高蚕丝的力学性能。而MoS_2二维纳米材料是一种典型的类石墨烯材料,在一定程度上弥补了石墨烯没有能带间隙的不足,被广泛应用于光电子、生物、能源等领域,使得近几年在二维纳米材料领域得到快速的发展,但并未有对给家蚕添食MoS_2二维纳米材料的研究。近期有研究发现,利用“风化”原理可制备出MoS_2纳米片,并且方法简单,没有引入其他有害溶剂。基于此,本文利用“风化”原理制备出MoS_2纳米片,然后以6种不同的浓度喂食给家蚕,研究了不同浓度的MoS_2纳米片对家蚕生长性状、蚕丝力学性能以及蚕丝结构的影响,并且对Mo元素在家蚕体内的转运过程进行了研究。主要研究结果如下:1.利用“风化”原理将Na~+和OH~—在30oC的条件下插入到二硫化钼的层间,通过NaOH的缓慢结晶克服MoS_2层间的范德华力,从而成功制备出MoS_2纳米片。扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)结果表明所制备的样品厚度均匀,其厚度在60-70 nm。同时利用X射线衍射和X射线能谱对样品进行表征,结果表明,制备出的MoS_2纳米片是六方晶相的2H-MoS_2,并且纯度高,结晶度良好。2.通过对家蚕外观、体重、组织切片以及茧重等的观察,研究了添食不同浓度的MoS_2纳米片对家蚕生长性状的影响。结果表明,当MoS_2纳米片的添食浓度低于400 mg/组时,MoS_2纳米片对家蚕没有明显的毒害作用。与对照组相比,添食MoS_2纳米片浓度为400 mg/组时,家蚕的体重和茧壳重略微下降、中肠变短以及丝腺变短变细,但是并没有影响家蚕的吐丝结茧,同时,石蜡组织切片结果表明,家蚕中肠和丝腺组织并无受损情况。3.对每组家蚕蚕茧进行脱胶,研究了不同浓度的MoS_2纳米片对家蚕脱胶蚕丝的形貌、力学性能以及结构的影响。扫描电镜(SEM)结果表明,随着MoS_2纳米片浓度的增加,蚕丝表面的不平整越来越明显,可能是MoS_2纳米片嵌入到蚕丝表面,影响了蚕丝的形貌。力学测试结果表明,当MoS_2纳米片的添食浓度为200 mg/组时,蚕丝的断裂强度(697.12±84.32 MPa)和断裂伸长率(35.15±18.25%)较对照组(断裂强度为466.17±62.53 MPa、断裂伸长率为21.05±11.24%)明显增强。同步辐射显微红外光谱(S-FTIR)结果表明,添食了MoS_2纳米片的实验组脱胶蚕丝二级结构并未发生明显的改变。但是对蚕丝酰胺I区进行分峰拟合,结果发现其二级结构的含量发生了一定的变化。与对照组相比,添食了MoS_2纳米片的实验组脱胶蚕丝无归卷曲/α-螺旋含量都有不同程度地提高,而β-折叠含量都有降低,表明MoS_2纳米片阻碍了丝素蛋白由无规卷曲/α-螺旋向β-折叠的转变。广角X射线散射光谱(WAXS)结果表明,蚕丝的二级结构没有发生明显变化,这一结果与同步辐射显微红外光谱的结果一致,但是添食MoS_2纳米片的实验组脱胶蚕丝的结晶度比对照组低,且当添食浓度小于200mg/组时,蚕丝结晶度随着添食浓度的增加而降低。4.利用电感耦合等离子体质谱技术(ICP-MS)对每次添食MoS_2纳米片24小时后的家蚕中肠、丝腺(中部和后部)、血液、蚕砂以及自然结茧的蚕茧和脱胶蚕丝中Mo元素含量进行测定,研究了Mo元素在家蚕体内的转运过程。结果表明,Mo元素被家蚕各组织吸收,随着添食材料次数和添食浓度的增加,各组织中Mo元素的含量也在增加。中肠最先接触MoS_2纳米片,Mo元素含量最高,接着Mo元素被血液和丝腺吸收,最后大多数随着蚕砂排除体外,有少量进入到蚕丝的丝素和丝胶中。
【图文】：

模型图,子组,层次,模型

图 1.1 蚕丝结构层次和分子组装的模型[17]1 Model describing the structural hierarchy and molecular assembly in coco白分子的构象主要分为两类：无规卷曲/α-螺旋构象和β-折叠构稳定性较差，在一定条件下很容易向β-折叠构象转变[20]。丝素有特定的红外吸收范围，因此可以根据峰位的来定性判断蛋白素蛋白红外光谱中峰位的归属如表 1.1 所示[21-23]。同时丝素蛋线衍射谱图中也能表现出来，，在以往的研究中[17,24-25]将 2θ=2 o定义为α-螺旋构象，2θ=9.1，16.71，20.34，24.49，30.9，.12 定义为β-折叠构象。表 1.1 蚕丝丝素蛋白红外光谱中峰位的归属Table 1.1 Assignments of peak position in FTIR of silk fibroin置酰胺谱带二级结0 cm-1酰胺 I β-转角0 cm-1酰胺 I 无规卷曲/α

脱胶丝,紫外线照射,应力-应变曲线,蚕丝

提高了蚕丝的热稳定性和导电性。此外 X 射线衍射和红外光谱结果表明，实验组蚕丝β-折叠含量均低于对照组。2015 年，Cai[34]等通过给家蚕添食涂抹了纳米 TiO2的桑叶，成功得到了机械性能和抗紫外能力均有提高的蚕丝。如图 1.2 所示，当 TiO2的添食浓度为 1 %时，脱胶蚕丝的断裂强度 548 ± 33 MPa 较对照组蚕丝断裂强度 393 ± 36 Mpa 提高了39.4%，脱胶蚕丝的断裂延伸率16.7 ± 0.8 %较对照组蚕丝断裂延伸率15.3 ± 1.6 %提高了 9.2 %。对 1 %TiO2脱胶蚕丝进行紫外光照射，发现照射后，蚕丝断裂强度仅下降了 15.9 %。江苏科技大学工学硕士学业论文
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S881;TB383.1;TS102.33

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