王　鵬， 左保齊

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021；2. 現代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123)

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研究與技術

不同鹽/甲酸溶解體系下絲素膜的制備及性能表征

王鵬， 左保齊

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021；2. 現代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123)

采用鹽/甲酸新型溶解體系對絲素進行溶解成膜，探討氯化鈣、溴化鋰和溴化鈣三種鹽對絲素溶解和再生絲素膜結構性能的影響，通過掃描電鏡、原子力顯微鏡、流變、紅外光譜、X射線衍射和力學拉伸等測試技術表征再生絲素溶液及膜的結構與性能特征。結果顯示，在相同條件下，脫膠蠶絲可快速溶解于三種鹽/甲酸溶劑中，氯化鈣溶解絲素溶液的顏色為淺黃色，溴化鋰為黃色，溴化鈣為深黃色；溶解液顏色的變化與溶解后絲素納米結構相對應，隨顏色加深絲素納米纖維的長度和直徑下降，說明溶解程度逐漸加重。結構分析表明，該鹽/甲酸溶解體系制取的再生絲素膜以β折疊結構為主，鹽種類不會對絲素結構產生明顯影響。力學測試表明，該鹽/甲酸體系獲得的再生絲素膜具有良好的濕態(tài)力學強度和伸長，其中以氯化鈣獲得的膜性能最優(yōu)。

氯化鈣；溴化鋰；溴化鈣；絲素膜；納米纖維結構

絲素蛋白是蠶絲的主要組成部分，隨著近年來對其結構和化學組成研究的不斷深入，其應用研究正從傳統(tǒng)紡織品領域向生物醫(yī)藥等高新領域延伸[1-2]。

近年來，有關絲素溶解方法的研究一直是國內外的熱點，并被廣泛報道。最初，國內外學者采用濃酸濃堿，如濃磷酸[3]等溶解絲素，但因嚴重降解絲素而被放棄；繼而采用飽和的中性鹽溶液，如9.3 mol/L溴化鋰等，并獲得了良好的溶解效果；2004年隨著Philips[4]首次研究并比較不同離子液體對絲素的溶解性能情況，使用離子液體溶解絲素纖維成為了新的研究熱點。目前，最為常用的溶解絲素方法是1954年日本味澤昭義[5]采用的n(CaCl2)︰n(C2H5OH)︰n(H2O)(摩爾比為1︰2︰8)三元溶劑溶解方法和9.3 mol/L LiBr水溶液法。采用上述溶解方法會對絲素的多級結構有較大的破壞，從而造成再生絲素蛋白材料性能難以滿足實際應用要求，因此探討合適的溶解方法并獲得性能優(yōu)異的再生絲素蛋白材料成為絲蛋白領域的研究重點之一。

絲素膜是再生絲素蛋白材料中的一種，因其應用廣泛、制取簡單而被廣泛研究與報道。絲素膜的制備方法主要是相轉化法，即流延法：通過溶液中液相揮發(fā)轉變?yōu)楣滔?。一般新鮮制備的再生絲素膜以無定形結構為主，易溶于水而不穩(wěn)定，通常需要有機溶劑后處理獲得silkⅡ結構，該膜不溶于水且力學性能得到提高。Qiang Lu[6]采用9.3 mol/L LiBr水溶液溶解絲素制備得到的膜經過不溶化處理后，其力學性能變差，脆性增強，大大限制了其應用，因此需對其進行改性處理。常用的改性方法有物理共混改性[7]和化學接枝、交聯(lián)改性[8]，但改性所需工藝復雜，耗時耗力，且有一定毒性。

本課題組首次報道了CaCl2/HCOOH溶解絲素的研究工作，并對其溶解性能及影響因素進行了分析[9]。本文在此基礎上，選取不同種類的鹽與甲酸組合溶解絲素，進一步探討不同鹽在鹽/甲酸溶解與再生絲素膜中的作用及影響。

1　實　驗

1.1材料與儀器

材料：桑蠶絲(浙江湖州)，無水碳酸鈉(Na2CO3，分析純，國藥化學試劑有限公司)，溴化鋰(LiBr，分析純，南通科潔化工有限公司)，溴化鈣(CaBr2，分析純，上海阿拉丁試劑)，無水乙醇(CH3CH2OH，分析純，國藥化學試劑有限公司)，氯化鈣(CaCl2，分析純，國藥化學試劑有限公司)，甲酸(HCOOH，分析純，98%，江蘇強盛化工有限公司)。

儀器：ISO 9001型分析天平(北京賽多斯儀器系統(tǒng)有限公司)，S-4800型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本Hitachi公司)，AR 2000型流變儀(美國TA Instruments公司)，原子力顯微鏡(美國Veeco，CA公司)，X’ PERT PRO MPD型X射線衍射儀(荷蘭PANalytical公司)，Instron 3365萬能材料試驗機(美國Instron公司)，Nicolet 5700型傅立葉紅外光譜儀(美國Nicolet公司)。

1.2實驗過程

1.2.1酸鹽體系絲素溶液的制備

稱取一定量桑蠶絲后，置于100 ℃，浴比為1︰40，質量分數為0.05%的Na2CO3溶液中，脫膠3次，每次脫膠時間為30 min，每次脫膠后使用60 ℃去離子水洗滌3次，將蠶絲放置于室溫通風處晾干，得到絲素纖維以備用。

稱取0.8 g的絲素纖維，在室溫、標準大氣壓下，將其溶解于0.4 g CaCl2和8.8 g HCOOH混合溶液中，通過磁力攪拌器充分攪拌2 h后，最終制備得到鹽和絲素質量分數分別為4%和8%的絲素混合溶液。采用上述方法，將絲素纖維分別溶解在LiBr/HCOOH和CaBr2/HCOOH中，制成質量分數相同的絲素混合溶液。

1.2.1絲素膜的制備

將制備得到的絲素蛋白酸溶液倒在培養(yǎng)皿中，放置于通風處，待甲酸完全揮發(fā)后，浸泡在去離子水中去鹽，每隔1 h換一次去離子水，如此進行24 h制備得到絲素膜。

常規(guī)溶解并制膜：稱一定量絲素纖維在60 ℃下溶解于9.3 mol/L LiBr水溶液中，攪拌約4 h后，制得質量分數8%的絲素溶液，冷卻，裝入透析袋，自來水流水透析1 d，去離子水透析3 d，過濾得到絲素蛋白水溶液，將其倒入聚苯乙烯皿，常溫下緩慢干燥成膜(為區(qū)別，定為對照膜)。

1.3測試方法

1.3.1流變性能測試

采用AR2000型流變儀對絲素蛋白溶液進行測定分析。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)℃。

1.3.2掃描電鏡(SEM)形貌觀測

溶液制樣：將各個溶液樣品吸取1 mL，并稀釋至絲素質量分數低于0.001%，然后將稀釋后的溶液覆蓋在潔凈的硅片上，以氮氣迅速吹干。絲素膜制樣：將絲素膜在液氮中進行脆斷。將樣品通過導電膠黏附在樣品臺上，并對其進行噴金90 s，噴金厚度控制在20～30 nm，在20 ℃，相對濕度65%的條件下對樣品進行測試。

1.3.3原子力顯微鏡(AFM)形貌觀測

將各個溶液樣品吸取1 mL，并稀釋至絲素質量分數低于0.001%，然后將稀釋后的溶液覆蓋在潔凈的硅片上，以氮氣迅速吹干，采用原子力顯微鏡進行觀察。測試時，采用彈性系數為3 N/m的Si針尖，掃描頻率為1 Hz，以Tapping mode模式在室溫狀態(tài)下(20 ℃)對硅片表面進行探測掃描，得到相應的測試樣品形貌。

1.3.4紅外光譜(FTIR)結構表征

將膜剪碎，添加KBr粉末研磨壓片制成樣，用Nicolet 5700型傅立葉紅外光譜儀進行結構表征。測試時波數范圍為400～4 000 cm-1，掃描次數為32次，光譜分辨率4 cm-1。

1.3.5X射線衍射儀(XRD)二級結構分析

將膜剪碎，制成粉末狀，然后利用全自動X’PERT PRO MPD型X射線衍射儀對不同的膜進行測試。測試時，使用Cukα射線，波長為0.154 nm，電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描范圍為2θ=5°～45°，掃描速度為10(°)/min。

1.3.6力學性能測試

酸鹽制備的絲素膜不作處理，將所制備的膜在濕態(tài)下剪為5 mm×40 mm的樣品，然后使用Instron 3365萬能材料試驗儀測量濕態(tài)下膜的斷裂應力、斷裂伸長率等力學指標。測試時，夾持距離為20 mm，夾持器拉伸速度為10 mm/min，預加張力為0.2 cN。

2　結果與分析

2.1溶液外觀形貌

圖1為不同鹽/甲酸溶解絲素的溶液照片、掃描電鏡和原子力顯微鏡圖，其中鹽和絲素的質量分數分別為4%和8%。圖1中CaCl2、LiBr、CaBr2溶解絲素溶液顏色逐漸加深，表明溶解程度也在加重。相關研究表明，天然長絲的優(yōu)異性能與其微觀結構有關[10]。絲素由原纖組成，原纖則由更小的微原纖構成。采取不同鹽/酸溶解體系制備的溶液中呈現出納米級纖維結構，這與傳統(tǒng)溶解方法制備的絲素溶液的形貌明顯不同[11]。比較圖1中原子力顯微鏡圖可以發(fā)現，CaCl2/HCOOH溶解絲素所得到的納米纖維的長度和直徑大于另兩種鹽溶解所制備的納米纖維長度和直徑；與LiBr和CaBr2相比，CaCl2對絲素纖維的溶解得到的纖維長度更長且直徑更大，表明CaCl2對絲素的溶解破壞較小，絲素內部的纖維狀結構保留更多，這有利于制備性能優(yōu)異的再生絲素材料。

圖1　不同鹽/甲酸溶解制備的絲素溶液照片(左)、 掃描電鏡(中)、原子力顯微鏡圖(右)Fig.1　Photos(left), SEM(middle) and AFM(right) pictures of silk fibroin solution dissolved in different salt/formic acid systems

2.2溶液流變性能

圖2為三種鹽/甲酸溶解絲素溶液的黏度-剪切速率曲線。如圖2所示，三種鹽/甲酸溶解制備的絲素溶液總體呈現出牛頓流體的特性，黏度隨著剪切速率的增大平穩(wěn)降低，且CaCl2/HCOOH、LiBr/HCOOH和CaBr2/HCOOH溶解制備的三組溶液間的流變性能差異不大。

圖2　不同鹽/甲酸溶解制備的絲素溶液黏度-剪切速率關系Fig.2　Viscosity-shear rate relationship diagram of silk fibroin solution dissolved in different salt/formic acid systems

2.3絲素膜外觀形貌

圖3為不同溶解體系制備的絲素膜的形態(tài)結構圖，其中鹽和絲素的質量分數分別為4%和8%。如圖3(a)為常規(guī)對照膜的SEM圖，其膜表面光滑，且致密；而酸鹽溶解體系制備的絲素膜內部結構多為纖維狀結構，這與酸鹽溶解制備的溶液中含有的納米纖維結構相對應。同時比較(b)(c)(d)三圖可發(fā)現，CaCl2/HCOOH制備的膜的致密程度要小于其他兩種鹽，且含有大量纖維狀結構，這可能是因為CaCl2/HCOOH溶解得到直徑更粗且長度更長的納米纖維，而其他兩種鹽溶解的絲素纖維直徑小且長度短，因而纖維更易聚集在一起而使空間致密。

圖3　絲素膜掃描電鏡圖Fig.3　SEM images of silk fibroin films

2.4絲素膜的二級結構分析

絲素蛋白構象以無規(guī)卷曲、α螺旋和β折疊為主。在紅外光譜中，α螺旋和無規(guī)卷曲的酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ特征峰分別出現在1 640～1 660、1 535～1 550 cm-1附近；而β折疊的酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ特征峰分別出現在1 620～1 640、1 515～1 525 cm-1附近[12]。圖4為絲素膜的紅外光譜圖和X衍射圖，其中鹽和絲素的質量分數分別為4%和8%。圖4(a)中，酸鹽溶解制備的絲素膜酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ特征峰分別出現在1 622 cm-1，1 525 cm-1，這是較為明顯的β折疊結構；同時常規(guī)對照膜的酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ特征峰分別出現在1 657、1 540 cm-1處，說明了常規(guī)對照膜中含有大量無規(guī)卷曲或α螺旋結構。同時在X衍射中，α螺旋和無規(guī)卷曲的主要衍射峰為12.2°、19.7°、24.7°和28.2°，而β折疊的主要衍射峰為9.1°、20.6°和24.3°[13]。圖4(b)中酸鹽溶解制備的絲素膜和對照膜的衍射峰的位置也表明酸鹽溶解制備的絲素膜的二級結構為β折疊結構，而對照膜中含有無規(guī)卷曲和α螺旋結構。同時通過比較可發(fā)現，不同鹽對于絲素的構象并無太大影響。造成這種現象的原因可能是酸鹽溶解絲素成膜時，甲酸揮發(fā)后去鹽，水進入其中取代原本鹽的位置，絲素納米纖維間大分子由于自身的親疏水作用和氫鍵作用而形成了β折疊的結構。

圖4　絲素膜的紅外光譜圖和X衍射圖Fig.4　FTIR and XRD of silk fibroin films

2.5絲素膜的力學性能

圖5為絲素膜在濕態(tài)下的力學性能，其中鹽和絲素的質量分數分別為4%和8%。如圖5所示，CaCl2/HCOOH、LiBr/HCOOH和CaBr2/HCOOH溶解絲素制備的絲素膜斷裂應力分別為4.49、3.17 MPa和2.76 MPa，其斷裂伸長率分別為35.1%、41%和39.59%，這可能是由于鹽/甲酸溶解絲素制備的膜中含有較高含量的水而使斷裂伸長較低的緣故。比較三種鹽對于絲素力學的影響可以發(fā)現，三者間斷裂伸長率比較接近，而CaCl2/HCOOH溶解制備的絲素膜斷裂應力較大，這與CaCl2/HCOOH溶解分纖得到的絲素納米纖維長且更粗有關，更高級別絲素原纖結構的保留增大了再生膜的力學性能，因此斷裂強度更高。

圖5　濕態(tài)下絲素膜應力-應變圖Fig.5　Stress-strain diagram of silk fibroin films in wet state

3　結　論

采用酸鹽溶解制備絲素溶液后成膜，制備的絲素膜與常規(guī)9.3 mol/L LiBr水溶液溶解制備的絲素膜進行比較。研究發(fā)現，氯化鈣溶解絲素溶液的顏色為淺黃色，溴化鋰為黃色，溴化鈣為深黃色，表明三種鹽的溶解程度有差異；通過掃描電鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)發(fā)現，絲素酸溶液呈現纖維狀結構，且CaCl2/HCOOH溶解制備的納米纖維直徑粗、長度更長；同時比較發(fā)現鹽的種類對絲素溶液的流變性能并無太大影響；通過SEM發(fā)現，常規(guī)法制備的絲素膜表面光滑、致密；酸鹽溶解制備的膜則呈纖維狀結構；紅外光譜(FTIR)和X衍射(XRD)表明酸鹽溶解制備的絲素膜為β折疊，而常規(guī)9.3 mol/L LiBr水溶液溶解制備的絲素膜中含有α螺旋或無規(guī)卷曲；力學測試表明CaCl2/HCOOH溶解制備的絲素膜的斷裂應力要略高于其他兩種鹽，斷裂伸長則較為接近。

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Preparation of silk fibroin films in different salt/formic acid dissolution system and its property characterization

WANG Peng , ZUO Baoqi

(1. College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China; 2. National Engineering Laboratory for Modern Silk, Suzhou 215123, China)

In this paper, new salt/formic acid solvent systems are used to dissolve silk and prepare silk films, and the influence of calcium chloride(CaCl2), lithium bromide(LiBr) and calcium bromide(CaBr2) on silk fibroin dissolution, the structure and properties of silk films is discussed. The structure and properties of silk fibroin solutions and films are characterized by SEM, AFM, Rheological testing, FTIR, XRD and mechanical test. The results show that degummed silk can be quickly dissolved in three salt/formic acid solvent systems under the same conditions. The color of silk fibroin solution dissolved in CaCl2, LiBr and CaBr2are pale yellow, yellow and dark yellow, respectively. The color change of dissolved solution corresponds to the nano-structure of fibroin after dissolution. The length and diameter of silk fibroin nanofiber decrease as the color deepens, which indicates the degree of dissolution gradually increases. Structural analysis shows that regenerated silk fibroin films prepared in such salt/formic acid solvent systems mainly presentβ-folded structure, and the kinds of salt will not significantly influence fibroin structure. Mechanical tests show that the regenerated silk fibroin films in salt/ formic acid systems have a good mechanical strength and elongation in wet state, and especially CaCl2shows the best properties.

calcium chloride; lithium bromide; calcium bromide; silk fibroin films; nano-fiber structure

10.3969/j.issn.1001-7003.2016.07.004

2016-01-19;

2016-05-31

國家自然科學基金資助項目(51403142)

TS102.54

A

1001-7003(2016)07-0018-05引用頁碼: 071104