纳米粒子共混增强制备高力学性能再生蚕丝

发布时间：2020-10-17 02:30

　　再生蚕丝作为一种天然高分子材料,同壳聚糖、胶原、甲壳素一样,具有无毒、无刺激性、可降解和良好的生物相容性,是组织工程领域的常用材料。然而,再生蚕丝的力学性能一直很难提高,表现出断裂强度低、柔韧性差等问题,因此,提高再生蚕丝的力学性能对于再生蚕丝的应用与发展具有重要意义。纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料,它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。纳米材料的小尺寸效应使其在力学方面优于普通材料。采用纳米材料共混湿法纺丝法制备力学性能增强的再生蚕丝,该方法成本较低、环境友好、简单易行,具有广阔的工业化前景。本文首先对湿法纺丝工艺参数进行了优化,研究了不同纺丝液浓度、不同拉伸倍率和浸泡乙醇时间对再生丝素蛋白纤维力学性能的影响,找出较佳的纺丝条件,然后选用铜纳米粒子(Cu NPs)、氧化铜纳米粒子(CuO NPs)和硫酸铜(CuSO4)溶液作为共混材料,通过湿法纺丝法三种材料对再生蚕丝形貌、结构和力学性能的影响。主要研究结果如下:1.本论文通过湿法纺丝法进行再生蚕丝的制备,以再生蚕丝力学性能为指标,研究不同纺丝液浓度、不同拉伸倍率、乙醇浸泡时间对再生蚕丝的力学性能的影响。找出了较佳的纺丝液浓度、较佳的拉伸倍率和乙醇浸泡时间。为后续研究纳米粒子对再生蚕丝力学性能和结构的影响提供了一定的基础。2.通过比较在不同纺丝液浓度和不同拉伸倍率条件下制备的再生蚕丝力学性能发现,纺丝液浓度和拉伸倍率对再生蚕丝力学性能有很大影响。当纺丝液浓度为15%,拉伸倍率为3倍拉伸时,再生蚕丝力学性能达到最佳。3.通过湿法纺丝法制备再生蚕丝后(纺丝液浓度为15%,拉伸倍率为3倍拉伸)进行乙醇浸泡后处理,研究了不同浸泡时间对再生蚕丝的力学性影响。结果表明,浸泡乙醇对再生蚕丝力学性能没有明显改变,表明通过预实验筛选的纺丝速度可以达到使再生蚕丝基本凝固的要求。4.通过分别共混不同量的铜纳米粒子、氧化铜纳米粒子和硫酸铜制备再生丝素蛋白纤维,研究了不同共混比的铜纳米粒子、氧化铜纳米粒子和硫酸铜对再生丝素蛋白纤维的形貌、力学性能以及结构的影响。扫描电镜(SEM)结果表明,共混铜纳米粒子、氧化铜纳米粒子和硫酸铜对再生蚕丝形貌没有明显改变。力学测试结果表明,再生蚕丝力学性能随铜纳米粒子、氧化铜纳米粒子和硫酸铜共混比的增大先提高后降低,当铜纳米粒子共混比达到4 mg/g Cu NPs/SF时,制备得到的再生蚕丝力学性能较佳,断裂强度和断裂伸长率分别为286.42±17.33MPa、24.70±6.32 MPa,相比未共混铜纳米粒子制备得到的再生蚕丝力学性能提高了71.56%、43.32%;当氧化铜纳米粒子共混比达到1 mg/g CuO NPs/SF时,制备得到的再生蚕丝力学性能较佳,断裂强度和断裂伸长率分别为241.31±22.18 MPa、75.21±16.55 MPa,相比未共混氧化铜纳米粒子制备得到的再生蚕丝力学性能提高了44.5%、210.04%;当硫酸铜共混比达到1 mg/g CuSO4/SF时,制备得到的再生蚕丝力学性能较佳,断裂强度和断裂伸长率分别为202.33±18.18 MPa、38.58±11.22 MPa,相比未共混硫酸铜制备得到的再生蚕丝力学性能提高了21.19%、59.22%。红外光谱、X射线衍射以及热重分析结果表明,共混铜纳米粒子、氧化铜纳米粒子和硫酸铜后制备的再生蚕丝相比未共混制备的再生蚕丝主体结构并未发生改变;根据红外光谱去卷积技术发现共混铜纳米粒子、氧化铜纳米粒子和硫酸铜后,再生蚕丝的二级结构含量发生改变,呈现无规卷曲和α-螺旋含量升高,β-折叠含量降低的趋势。5.通过比较分别共混铜纳米粒子、氧化铜纳米粒子和硫酸铜制备得到的再生蚕丝断裂强度和断裂伸长率,综合屈服应力和屈服伸长率,它们对再生蚕丝力学性能提高顺序为:铜纳米粒子氧化铜纳米粒子硫酸铜。这种纳米粒子共混增强再生蚕丝力学性能的方法成本低,易操作,绿色环保,对大规模制备高性能再生蚕丝有重要意义,具有广阔的工业化前景。
【学位单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.1;TS102.33
【部分图文】：

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如图1.1 所示。丝胶蛋白呈球形，它自身所携带的亲水基团的氨基酸含量占丝胶蛋白总量的 61%左右，丝胶蛋白易溶于水，占蚕丝蛋白的 25%左右，是一种潜在的过敏原，一般通过在热水中缫丝脱去[6]。丝素蛋白是构成蚕丝的主要成分，约占蚕丝蛋白的 70%左右，其横截面呈三角形，结晶度为 40%~50%，较难溶于水。丝素分子分子量很大，分子结构及分子间作用力比较复杂。图 1.1 蚕丝扫描电镜图[7]Fig. 1.1 SEM of silk fiber[7]

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