不同盐/甲酸溶解体系下丝素膜的制备及性能表征

王　鹏， 左保齐

(1. 苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021；2. 现代丝绸国家工程实验室，江苏 苏州 215123)



研究与技术

不同盐/甲酸溶解体系下丝素膜的制备及性能表征

王鹏， 左保齐

(1. 苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021；2. 现代丝绸国家工程实验室，江苏 苏州 215123)

采用盐/甲酸新型溶解体系对丝素进行溶解成膜，探讨氯化钙、溴化锂和溴化钙三种盐对丝素溶解和再生丝素膜结构性能的影响，通过扫描电镜、原子力显微镜、流变、红外光谱、X射线衍射和力学拉伸等测试技术表征再生丝素溶液及膜的结构与性能特征。结果显示，在相同条件下，脱胶蚕丝可快速溶解于三种盐/甲酸溶剂中，氯化钙溶解丝素溶液的颜色为浅黄色，溴化锂为黄色，溴化钙为深黄色；溶解液颜色的变化与溶解后丝素纳米结构相对应，随颜色加深丝素纳米纤维的长度和直径下降，说明溶解程度逐渐加重。结构分析表明，该盐/甲酸溶解体系制取的再生丝素膜以β折叠结构为主，盐种类不会对丝素结构产生明显影响。力学测试表明，该盐/甲酸体系获得的再生丝素膜具有良好的湿态力学强度和伸长，其中以氯化钙获得的膜性能最优。

氯化钙；溴化锂；溴化钙；丝素膜；纳米纤维结构

丝素蛋白是蚕丝的主要组成部分，随着近年来对其结构和化学组成研究的不断深入，其应用研究正从传统纺织品领域向生物医药等高新领域延伸[1-2]。

近年来，有关丝素溶解方法的研究一直是国内外的热点，并被广泛报道。最初，国内外学者采用浓酸浓碱，如浓磷酸[3]等溶解丝素，但因严重降解丝素而被放弃；继而采用饱和的中性盐溶液，如9.3 mol/L溴化锂等，并获得了良好的溶解效果；2004年随着Philips[4]首次研究并比较不同离子液体对丝素的溶解性能情况，使用离子液体溶解丝素纤维成为了新的研究热点。目前，最为常用的溶解丝素方法是1954年日本味泽昭义[5]采用的n(CaCl2)︰n(C2H5OH)︰n(H2O)(摩尔比为1︰2︰8)三元溶剂溶解方法和9.3 mol/L LiBr水溶液法。采用上述溶解方法会对丝素的多级结构有较大的破坏，从而造成再生丝素蛋白材料性能难以满足实际应用要求，因此探讨合适的溶解方法并获得性能优异的再生丝素蛋白材料成为丝蛋白领域的研究重点之一。

丝素膜是再生丝素蛋白材料中的一种，因其应用广泛、制取简单而被广泛研究与报道。丝素膜的制备方法主要是相转化法，即流延法：通过溶液中液相挥发转变为固相。一般新鲜制备的再生丝素膜以无定形结构为主，易溶于水而不稳定，通常需要有机溶剂后处理获得silkⅡ结构，该膜不溶于水且力学性能得到提高。Qiang Lu[6]采用9.3 mol/L LiBr水溶液溶解丝素制备得到的膜经过不溶化处理后，其力学性能变差，脆性增强，大大限制了其应用，因此需对其进行改性处理。常用的改性方法有物理共混改性[7]和化学接枝、交联改性[8]，但改性所需工艺复杂，耗时耗力，且有一定毒性。

本课题组首次报道了CaCl2/HCOOH溶解丝素的研究工作，并对其溶解性能及影响因素进行了分析[9]。本文在此基础上，选取不同种类的盐与甲酸组合溶解丝素，进一步探讨不同盐在盐/甲酸溶解与再生丝素膜中的作用及影响。

1　实　验

1.1材料与仪器

材料：桑蚕丝(浙江湖州)，无水碳酸钠(Na2CO3，分析纯，国药化学试剂有限公司)，溴化锂(LiBr，分析纯，南通科洁化工有限公司)，溴化钙(CaBr2，分析纯，上海阿拉丁试剂)，无水乙醇(CH3CH2OH，分析纯，国药化学试剂有限公司)，氯化钙(CaCl2，分析纯，国药化学试剂有限公司)，甲酸(HCOOH，分析纯，98%，江苏强盛化工有限公司)。

仪器：ISO 9001型分析天平(北京赛多斯仪器系统有限公司)，S-4800型冷场发射扫描电子显微镜(日本Hitachi公司)，AR 2000型流变仪(美国TA Instruments公司)，原子力显微镜(美国Veeco，CA公司)，X’ PERT PRO MPD型X射线衍射仪(荷兰PANalytical公司)，Instron 3365万能材料试验机(美国Instron公司)，Nicolet 5700型傅立叶红外光谱仪(美国Nicolet公司)。

1.2实验过程

1.2.1酸盐体系丝素溶液的制备

称取一定量桑蚕丝后，置于100 ℃，浴比为1︰40，质量分数为0.05%的Na2CO3溶液中，脱胶3次，每次脱胶时间为30 min，每次脱胶后使用60 ℃去离子水洗涤3次，将蚕丝放置于室温通风处晾干，得到丝素纤维以备用。

称取0.8 g的丝素纤维，在室温、标准大气压下，将其溶解于0.4 g CaCl2和8.8 g HCOOH混合溶液中，通过磁力搅拌器充分搅拌2 h后，最终制备得到盐和丝素质量分数分别为4%和8%的丝素混合溶液。采用上述方法，将丝素纤维分别溶解在LiBr/HCOOH和CaBr2/HCOOH中，制成质量分数相同的丝素混合溶液。

1.2.1丝素膜的制备

将制备得到的丝素蛋白酸溶液倒在培养皿中，放置于通风处，待甲酸完全挥发后，浸泡在去离子水中去盐，每隔1 h换一次去离子水，如此进行24 h制备得到丝素膜。

常规溶解并制膜：称一定量丝素纤维在60 ℃下溶解于9.3 mol/L LiBr水溶液中，搅拌约4 h后，制得质量分数8%的丝素溶液，冷却，装入透析袋，自来水流水透析1 d，去离子水透析3 d，过滤得到丝素蛋白水溶液，将其倒入聚苯乙烯皿，常温下缓慢干燥成膜(为区别，定为对照膜)。

1.3测试方法

1.3.1流变性能测试

采用AR2000型流变仪对丝素蛋白溶液进行测定分析。选用35/1°Ti锥板，剪切速率为0.1～1 000 s-1，温度控制在(25±0.5)℃。

1.3.2扫描电镜(SEM)形貌观测

溶液制样：将各个溶液样品吸取1 mL，并稀释至丝素质量分数低于0.001%，然后将稀释后的溶液覆盖在洁净的硅片上，以氮气迅速吹干。丝素膜制样：将丝素膜在液氮中进行脆断。将样品通过导电胶黏附在样品台上，并对其进行喷金90 s，喷金厚度控制在20～30 nm，在20 ℃，相对湿度65%的条件下对样品进行测试。

1.3.3原子力显微镜(AFM)形貌观测

将各个溶液样品吸取1 mL，并稀释至丝素质量分数低于0.001%，然后将稀释后的溶液覆盖在洁净的硅片上，以氮气迅速吹干，采用原子力显微镜进行观察。测试时，采用弹性系数为3 N/m的Si针尖，扫描频率为1 Hz，以Tapping mode模式在室温状态下(20 ℃)对硅片表面进行探测扫描，得到相应的测试样品形貌。

1.3.4红外光谱(FTIR)结构表征

将膜剪碎，添加KBr粉末研磨压片制成样，用Nicolet 5700型傅立叶红外光谱仪进行结构表征。测试时波数范围为400～4 000 cm-1，扫描次数为32次，光谱分辨率4 cm-1。

1.3.5X射线衍射仪(XRD)二级结构分析

将膜剪碎，制成粉末状，然后利用全自动X’PERT PRO MPD型X射线衍射仪对不同的膜进行测试。测试时，使用Cukα射线，波长为0.154 nm，电压为40 kV，电流为40 mA，扫描范围为2θ=5°～45°，扫描速度为10(°)/min。

1.3.6力学性能测试

酸盐制备的丝素膜不作处理，将所制备的膜在湿态下剪为5 mm×40 mm的样品，然后使用Instron 3365万能材料试验仪测量湿态下膜的断裂应力、断裂伸长率等力学指标。测试时，夹持距离为20 mm，夹持器拉伸速度为10 mm/min，预加张力为0.2 cN。

2　结果与分析

2.1溶液外观形貌

图1为不同盐/甲酸溶解丝素的溶液照片、扫描电镜和原子力显微镜图，其中盐和丝素的质量分数分别为4%和8%。图1中CaCl2、LiBr、CaBr2溶解丝素溶液颜色逐渐加深，表明溶解程度也在加重。相关研究表明，天然长丝的优异性能与其微观结构有关[10]。丝素由原纤组成，原纤则由更小的微原纤构成。采取不同盐/酸溶解体系制备的溶液中呈现出纳米级纤维结构，这与传统溶解方法制备的丝素溶液的形貌明显不同[11]。比较图1中原子力显微镜图可以发现，CaCl2/HCOOH溶解丝素所得到的纳米纤维的长度和直径大于另两种盐溶解所制备的纳米纤维长度和直径；与LiBr和CaBr2相比，CaCl2对丝素纤维的溶解得到的纤维长度更长且直径更大，表明CaCl2对丝素的溶解破坏较小，丝素内部的纤维状结构保留更多，这有利于制备性能优异的再生丝素材料。

图1　不同盐/甲酸溶解制备的丝素溶液照片(左)、 扫描电镜(中)、原子力显微镜图(右)Fig.1　Photos(left), SEM(middle) and AFM(right) pictures of silk fibroin solution dissolved in different salt/formic acid systems

2.2溶液流变性能

图2为三种盐/甲酸溶解丝素溶液的黏度-剪切速率曲线。如图2所示，三种盐/甲酸溶解制备的丝素溶液总体呈现出牛顿流体的特性，黏度随着剪切速率的增大平稳降低，且CaCl2/HCOOH、LiBr/HCOOH和CaBr2/HCOOH溶解制备的三组溶液间的流变性能差异不大。

图2　不同盐/甲酸溶解制备的丝素溶液黏度-剪切速率关系Fig.2　Viscosity-shear rate relationship diagram of silk fibroin solution dissolved in different salt/formic acid systems

2.3丝素膜外观形貌

图3为不同溶解体系制备的丝素膜的形态结构图，其中盐和丝素的质量分数分别为4%和8%。如图3(a)为常规对照膜的SEM图，其膜表面光滑，且致密；而酸盐溶解体系制备的丝素膜内部结构多为纤维状结构，这与酸盐溶解制备的溶液中含有的纳米纤维结构相对应。同时比较(b)(c)(d)三图可发现，CaCl2/HCOOH制备的膜的致密程度要小于其他两种盐，且含有大量纤维状结构，这可能是因为CaCl2/HCOOH溶解得到直径更粗且长度更长的纳米纤维，而其他两种盐溶解的丝素纤维直径小且长度短，因而纤维更易聚集在一起而使空间致密。

图3　丝素膜扫描电镜图Fig.3　SEM images of silk fibroin films

2.4丝素膜的二级结构分析

丝素蛋白构象以无规卷曲、α螺旋和β折叠为主。在红外光谱中，α螺旋和无规卷曲的酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ特征峰分别出现在1 640～1 660、1 535～1 550 cm-1附近；而β折叠的酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ特征峰分别出现在1 620～1 640、1 515～1 525 cm-1附近[12]。图4为丝素膜的红外光谱图和X衍射图，其中盐和丝素的质量分数分别为4%和8%。图4(a)中，酸盐溶解制备的丝素膜酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ特征峰分别出现在1 622 cm-1，1 525 cm-1，这是较为明显的β折叠结构；同时常规对照膜的酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ特征峰分别出现在1 657、1 540 cm-1处，说明了常规对照膜中含有大量无规卷曲或α螺旋结构。同时在X衍射中，α螺旋和无规卷曲的主要衍射峰为12.2°、19.7°、24.7°和28.2°，而β折叠的主要衍射峰为9.1°、20.6°和24.3°[13]。图4(b)中酸盐溶解制备的丝素膜和对照膜的衍射峰的位置也表明酸盐溶解制备的丝素膜的二级结构为β折叠结构，而对照膜中含有无规卷曲和α螺旋结构。同时通过比较可发现，不同盐对于丝素的构象并无太大影响。造成这种现象的原因可能是酸盐溶解丝素成膜时，甲酸挥发后去盐，水进入其中取代原本盐的位置，丝素纳米纤维间大分子由于自身的亲疏水作用和氢键作用而形成了β折叠的结构。

图4　丝素膜的红外光谱图和X衍射图Fig.4　FTIR and XRD of silk fibroin films

2.5丝素膜的力学性能

图5为丝素膜在湿态下的力学性能，其中盐和丝素的质量分数分别为4%和8%。如图5所示，CaCl2/HCOOH、LiBr/HCOOH和CaBr2/HCOOH溶解丝素制备的丝素膜断裂应力分别为4.49、3.17 MPa和2.76 MPa，其断裂伸长率分别为35.1%、41%和39.59%，这可能是由于盐/甲酸溶解丝素制备的膜中含有较高含量的水而使断裂伸长较低的缘故。比较三种盐对于丝素力学的影响可以发现，三者间断裂伸长率比较接近，而CaCl2/HCOOH溶解制备的丝素膜断裂应力较大，这与CaCl2/HCOOH溶解分纤得到的丝素纳米纤维长且更粗有关，更高级别丝素原纤结构的保留增大了再生膜的力学性能，因此断裂强度更高。

图5　湿态下丝素膜应力-应变图Fig.5　Stress-strain diagram of silk fibroin films in wet state

3　结　论

采用酸盐溶解制备丝素溶液后成膜，制备的丝素膜与常规9.3 mol/L LiBr水溶液溶解制备的丝素膜进行比较。研究发现，氯化钙溶解丝素溶液的颜色为浅黄色，溴化锂为黄色，溴化钙为深黄色，表明三种盐的溶解程度有差异；通过扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)发现，丝素酸溶液呈现纤维状结构，且CaCl2/HCOOH溶解制备的纳米纤维直径粗、长度更长；同时比较发现盐的种类对丝素溶液的流变性能并无太大影响；通过SEM发现，常规法制备的丝素膜表面光滑、致密；酸盐溶解制备的膜则呈纤维状结构；红外光谱(FTIR)和X衍射(XRD)表明酸盐溶解制备的丝素膜为β折叠，而常规9.3 mol/L LiBr水溶液溶解制备的丝素膜中含有α螺旋或无规卷曲；力学测试表明CaCl2/HCOOH溶解制备的丝素膜的断裂应力要略高于其他两种盐，断裂伸长则较为接近。

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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

国家自然科学基金资助项目(51403142)

TS102.54

A

1001-7003(2016)07-0018-05引用页码: 071104