角蛋白/多壁碳納米管復(fù)合纖維的制備

趙明宇， 劉海輝， 王學(xué)晨， 張興祥

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 省部共建分離膜與膜過(guò)程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué) 天津市先進(jìn)纖維與儲(chǔ)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387；3. 天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387)

角蛋白/多壁碳納米管復(fù)合纖維的制備

趙明宇1,2,3， 劉海輝1,2,3， 王學(xué)晨1,2,3， 張興祥1,2,3

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 省部共建分離膜與膜過(guò)程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué) 天津市先進(jìn)纖維與儲(chǔ)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387；3. 天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387)

為促進(jìn)廢舊羊毛的回收利用，采用L-半胱氨酸還原法溶解羊毛提取角蛋白，將羊毛再生角蛋白溶于碳酸鈉/碳酸氫鈉緩沖溶液中配制成紡絲液，并且向其中添加經(jīng)傅克反應(yīng)處理的功能化多壁碳納米管，通過(guò)濕法紡絲制備再生角蛋白/功能化碳納米管復(fù)合纖維。研究結(jié)果表明：碳納米管均勻的分散在復(fù)合纖維中，沒(méi)有發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，并且與角蛋白基體有著良好的界面作用；碳納米管加入對(duì)纖維的結(jié)晶度有所提高，并且能夠誘導(dǎo)角蛋白內(nèi)部形成較多的β-折疊的二級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)象；隨著碳納米管的加入，復(fù)合纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度增加，當(dāng)碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)，拉伸斷裂強(qiáng)度達(dá)到最大(91.5±12.6)MPa，比純角蛋白纖維提高了139%。

羊毛角蛋白； 蛋白纖維； 多壁碳納米管； 傅克反應(yīng)； 濕法紡絲

我國(guó)作為世界上第2大羊毛生產(chǎn)國(guó)，羊毛產(chǎn)量日益增長(zhǎng)，每年都有大量的劣質(zhì)粗毛和廢舊羊毛制品被廢棄[1]。羊毛中80%以上的物質(zhì)是角蛋白，角蛋白作為一種生物材料具有良好的生物相容性及可降解性，吸引了國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。羊毛角蛋白的相對(duì)分子質(zhì)量大于100 000，可作為一種良好的生物紡絲材料[2]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于溶解羊毛提取角蛋白的方法很多，主要有還原法[1]、氧化法[3]、離子液體法[4]等，但這些方法由于提取過(guò)程復(fù)雜，后處理需要進(jìn)行透析，使得整個(gè)流程耗時(shí)較長(zhǎng)，不易快速有效地從羊毛中提取角蛋白。因此如何高效、快速地溶解羊毛提取角蛋白是對(duì)廢棄羊毛再生利用的關(guān)鍵。碳納米管(CNTs)作為1種一維材料有著優(yōu)異的力學(xué)性能，可以用作制備高性能復(fù)合材料的增強(qiáng)填料[5-6]，但由于CNTs長(zhǎng)徑比較大，表面存在π-π共軛吸引等原因，使其在基體中極易團(tuán)聚，造成增強(qiáng)效果達(dá)不到預(yù)期的效果。對(duì)CNTs進(jìn)行改性可以改善其分散性能，達(dá)到良好的增強(qiáng)效果。傳統(tǒng)的酸化處理會(huì)對(duì)CNTs結(jié)構(gòu)造成破壞，使得其性能減弱， 而在多聚磷酸(PPA)/五氧化二磷(P2O5)弱酸體系下，通過(guò)傅克反應(yīng)(Friedel-Crafts reaction)對(duì)碳納米管進(jìn)行無(wú)損化改性[7-8]，在其表面接枝芳香氨基基團(tuán)，達(dá)到均勻分散的目的。本文采用L-半胱氨酸還原法溶解羊毛提取角蛋白[9-10]，此過(guò)程操作簡(jiǎn)便且后處理不需透析過(guò)程，大大增加了提取效率。將再生羊毛角蛋白溶解在緩沖溶液中配制成紡絲液，加入不同含量傅克反應(yīng)功能化后的多壁碳納米管，再采用濕法紡絲技術(shù)制備復(fù)合纖維，研究了功能性的壁碳納米管(F-MWCNTs)對(duì)再生角蛋白/F-MWCNTs復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)和性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

羊毛(產(chǎn)地為新西蘭)；多壁碳納米管MWCNTs，長(zhǎng)度為30～50 μm，直徑為8～15 nm，中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)研究所)；尿素(CO(NH2)2)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、多聚磷酸(PPA)、五氧化二磷(P2O5)、對(duì)氨基苯甲酸(C7H7NO2)：分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；L-半胱氨酸(C3H7NO2S)：分析純，阿拉丁試劑有限公司；氫氧化鈉(NaOH)、碳酸鈉(Na2CO3)、碳酸氫鈉(NaHCO3)、乙醇(C2H5OH)、乙酸(CH3COOH)、鹽酸(HCl)、硫酸鈉(Na2SO4)：分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 羊毛角蛋白的提取

將羊毛洗凈，干燥后剪碎至長(zhǎng)度約0.5 cm。取羊毛(10.0 g)、8 mol/L的尿素溶液(200 mL)、L-半胱氨酸(1 g)置于500 mL的三口燒瓶中，用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至11，70 ℃下機(jī)械攪拌反應(yīng)24 h，將所得產(chǎn)物進(jìn)行離心分離取上層清液，使用1 mol/L的Na2SO4/HCl溶液調(diào)節(jié)清液pH值至4，析出乳白色角蛋白，將角蛋白進(jìn)行抽濾洗滌，50 ℃下干燥即得角蛋白。

1.2.2 功能化多壁碳納米管的制備

根據(jù)本課題組之前的工作[7]，采用傅克反應(yīng)制備F-MWCNTs。首先，取MWCNTs(1 g)、對(duì)氨基苯甲酸(1 g)、多聚磷酸(40 g)置于250 mL的三口燒瓶中，升溫至130 ℃下機(jī)械攪拌3 h，加入五氧化二磷(10 g)，保持130 ℃、連續(xù)反應(yīng)72 h，氮?dú)獗Ｗo(hù)。所得產(chǎn)物用蒸餾水和氨水反復(fù)洗滌過(guò)濾，并且對(duì)產(chǎn)物用蒸餾水和無(wú)水甲醇索氏提取各3 d，以除去多余的反應(yīng)物及雜質(zhì)，然后真空干燥即得F-MWCNTs。

1.2.3 角蛋白/碳納米管復(fù)合纖維的制備

將F-MWCNTs加入到pH值為9.5，濃度為0.3 mol/L的碳酸鈉/碳酸氫鈉緩沖溶液中進(jìn)行超聲1 h，使CNTs在溶液中均勻分散，隨后加入角蛋白使其成為濃度為20%的紡絲液并加入角蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的SDS，調(diào)節(jié)F-MWCNTs的含量使得CNTs在角蛋白中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、0.10%、0.15%和0.20%。將紡絲液靜置24 h使角蛋白完全溶解，隨后加熱至90 ℃持續(xù)1 h。采用自制的濕法紡絲裝置進(jìn)行復(fù)合纖維的制備，配制10%的乙酸/乙醇溶液作為凝固浴，凝固浴槽長(zhǎng)度為1 m，噴絲頭直徑為0.13 mm，紡絲速度為0.3 m/min，卷繞速度為3 m/min。將紡出的復(fù)合纖維經(jīng)水洗祛除鹽和溶劑。

1.3 性能表征

1.3.1 角蛋白/F-MWCNTs復(fù)合纖維的形貌

采用日本Hitachi S-4800掃描電子顯微鏡對(duì)纖維形貌進(jìn)行分析，纖維的斷面通過(guò)液氮淬斷，測(cè)試前將纖維進(jìn)行噴金處理，噴金厚度在10～20 nm之間。

1.3.2 復(fù)合纖維的紅外光譜

采用德國(guó)Bruker TENSOR37 傅里葉變換紅外光譜儀(掃描次數(shù)為32次，掃描波數(shù)范圍為4 000～500 cm-1，光譜分辨率為4 cm-1)測(cè)定復(fù)合纖維的二級(jí)結(jié)構(gòu)，將纖維剪成粉末用KBr壓片進(jìn)行測(cè)試。并且采用omnic8和peakfit4.12軟件對(duì)所得圖譜進(jìn)行分析。對(duì)復(fù)合纖維的酰胺I帶進(jìn)行傅里葉去卷積和高斯擬合分峰來(lái)計(jì)算角蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)含量。

1.3.3 復(fù)合纖維X射線(xiàn)衍射分析

采用日本Rigaku D/MAX-2500 X射線(xiàn)衍射儀對(duì)復(fù)合纖維進(jìn)行X射線(xiàn)(XRD)衍射分析測(cè)定纖維的結(jié)晶度，Cu靶Kα1線(xiàn)，波長(zhǎng)為0.154 nm，掃描速率為2 (°)/min，掃描范圍在5°～40°之間。

1.3.4 角蛋白/F-MWCNTs復(fù)合纖維的力學(xué)性能

采用萊州市電子儀器有限公司 LLY-06 電子單纖維強(qiáng)力儀對(duì)復(fù)合纖維進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測(cè)試，夾具間距為20 mm，拉伸速率為5 mm/min，每種纖維試樣測(cè)試10次，并且通過(guò)纖維斷面的SEM照片得到橫截面積，計(jì)算拉伸強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合纖維的形貌分析

圖1示出F-WMCNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的角蛋白/F-MWCNTs復(fù)合纖維的SEM照片。由于濕法紡絲過(guò)程為凝固浴和紡絲液溶劑的雙擴(kuò)散過(guò)程[11]，在此過(guò)程中實(shí)現(xiàn)角蛋白溶液凝固形成纖維。從圖中可以看出，復(fù)合纖維表面由于擴(kuò)散形成褶皺，表面致密；圖中左上為復(fù)合纖維斷面圖，可以看出纖維內(nèi)部致密，無(wú)明顯的孔洞，纖維直徑約為50 μm，且截面形狀為圓形，碳納米管沒(méi)有在表面或者斷面產(chǎn)生明顯的纏結(jié)，可以證明碳納米管在纖維中分散較好。

圖1 角蛋白/F-MWCNTs復(fù)合纖維的表面形貌Fig.1 Morphology of keratin/F-MWCNTs composite fibers

2.2 復(fù)合纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

傅里葉紅外光譜是作為研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)較為普遍的一種方法，通過(guò)紅外光譜進(jìn)行去卷積處理與其二階導(dǎo)數(shù)譜、曲線(xiàn)擬合等方法結(jié)合可以研究角蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)[12]。羊毛與再生角蛋白的紅外光譜如圖2所示，角蛋白樣品與羊毛都顯示出典型的酰胺鍵特征峰，證明溶解過(guò)程并未破壞羊毛結(jié)構(gòu)，提取出的角蛋白保持了較好的肽鍵結(jié)構(gòu)[10]。

圖2 羊毛和再生角蛋白的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of wool and regenerated keratin

注：a為純角蛋白纖維；b～e分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、0.10%、0.15%、0.20%的F-MWCNTs復(fù)合纖維。圖3 角蛋白/F-MWCNTs復(fù)合纖維的紅外光譜Fig.3 FT-IR spectra of keratin/F-MWCNTs composite fibers

將酰胺I帶進(jìn)行高斯分峰擬合，酰胺I帶的牲特征峰歸屬如下，其中1 660～1 650 cm-1左右為α-螺旋，在1 630～1 620 cm-1左右為β-折疊，1 690～1 670 cm-1左右為無(wú)規(guī)卷曲。計(jì)算角蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)所占比例， 結(jié)果見(jiàn)表1。角蛋白中β-折疊結(jié)構(gòu)的含量越多，復(fù)合纖維的力學(xué)強(qiáng)度更好[13]。在凝固浴中加入乙醇，以及紡絲過(guò)程中對(duì)纖維進(jìn)行拉伸，可以誘導(dǎo)角蛋白形成更多的β-折疊組分，進(jìn)而提高復(fù)合纖維的力學(xué)性能。純角蛋白的β-折疊組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.6%，當(dāng)用角蛋白紡制成纖維時(shí)，β-折疊組分僅質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到35.9%，證明制備纖維過(guò)程由于拉伸使得角蛋白由無(wú)軌和α-螺旋結(jié)構(gòu)向β-折疊轉(zhuǎn)變。隨F-MWCNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加F-MWCNTs可以誘導(dǎo)形成更多β-折疊的結(jié)構(gòu)，當(dāng)F-MWCNTs含量為0.15%時(shí)，β-折疊結(jié)構(gòu)組分達(dá)到最大值為37.2%，復(fù)合纖維的力學(xué)性能也為最佳值。

表1 角蛋白與不同含量F-MWCNTs的角蛋白/ F-MWCNTs復(fù)合纖維高斯擬合酰胺I帶的 二級(jí)結(jié)構(gòu)比例Tab.1 Secondary structure determined by Gaussian curve fitting in amide I spectral region of composite fibers

2.3 復(fù)合纖維的結(jié)晶度

為了進(jìn)一步表征復(fù)合纖維的結(jié)晶性能，采用X射線(xiàn)衍射進(jìn)行測(cè)試。圖4示出純角蛋白纖維與F-MWCNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)的角蛋白/F-MWCNTs復(fù)合纖維的X射線(xiàn)衍射譜圖。純角蛋白纖維與復(fù)合纖維圖譜均在9°和20°附近出現(xiàn)典型的角蛋白衍射峰，9° 為α-螺旋結(jié)晶與β-折疊結(jié)晶的共同衍射峰，20°為α-螺旋衍射峰和β-折疊衍射峰的重疊峰[12]。角蛋白的結(jié)晶度可以通過(guò)結(jié)晶度系數(shù)公式來(lái)表征[13-14]，經(jīng)計(jì)算圖中純角蛋白的結(jié)晶度為28.7%，加入F-MWCNTs后復(fù)合纖維的結(jié)晶度增加到31.9%，證明F-MWCNTs的加入可以誘導(dǎo)角蛋白結(jié)晶，并且提高纖維的力學(xué)性能。

圖4 角蛋白/F-MWCNTs復(fù)合纖維的X射線(xiàn)衍射圖Fig.4 X-ray diffraction spectrograms keratin/F-MWCNTs composite fibers. (a) Keratin; (b) Keratin/F-WWCNTs composite fibers

2.4 復(fù)合纖維的力學(xué)性能

圖5示出純角蛋白纖維和F-MWCNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時(shí)的角蛋白/F-MWCNTs復(fù)合纖維的拉伸力學(xué)性能。隨著F-MWCNTs的增加，復(fù)合纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)F-MWCNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)，復(fù)合纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度達(dá)到最大，為91.5 MPa，相比較純角蛋白纖維提高了139%。最后添加更多的F-MWCNTs，復(fù)合纖維的斷裂強(qiáng)度開(kāi)始下降。復(fù)合纖維在斷裂強(qiáng)度最大處時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率也達(dá)到最大，這是由于此時(shí)F-MWCNTs在角蛋白基體中達(dá)到一個(gè)均勻分散的狀態(tài)，在拉伸時(shí)可以使應(yīng)力連續(xù)傳導(dǎo)，斷裂伸長(zhǎng)率也達(dá)到最高，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、0.10%時(shí)，F(xiàn)-MWCNTs在基體中不能形成穩(wěn)定的增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，斷裂伸長(zhǎng)率較低，而0.20%含量的F-MWCNTs由于濃度過(guò)高而導(dǎo)致部分纏結(jié)，導(dǎo)致纖維脆性增大，斷裂伸長(zhǎng)率降低。

圖5 角蛋白/F-MWCNTs復(fù)合纖維的力學(xué)性能Fig.5 Mechanical properties of keratin/F-MWCNTs composite fibers with various mass fractions of F-MWCNTs

3 結(jié) 論

采用新型的L-半胱氨酸還原法溶解羊毛提取角蛋白進(jìn)行紡絲，并加入功能化改性多壁碳納米管進(jìn)行性能增強(qiáng)。結(jié)果表明加入F-MWCNTs后纖維的力學(xué)強(qiáng)度得到顯著提高，當(dāng)添加量為0.15%時(shí)纖維的斷裂強(qiáng)度達(dá)到(91.5±12.6)MPa，相對(duì)于純角蛋白纖維提高了139%。濕法紡絲過(guò)程誘導(dǎo)角蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)向β-折疊進(jìn)行轉(zhuǎn)變。F-MWCNTs的加入使得纖維結(jié)晶性能提高。此外，提取羊毛的整個(gè)過(guò)程綠色環(huán)保，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便且提取效率高。采用碳納米管改性羊毛再生角蛋白制備纖維長(zhǎng)絲，不但可改善羊毛產(chǎn)品由于其短纖結(jié)構(gòu)而引起的掉毛、易起球等問(wèn)題，還可有效克服再生蛋白纖維力學(xué)性能差的問(wèn)題，為廢棄羊毛再開(kāi)發(fā)利用提供條件。

FZXB

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Preparation of keratin/multi-walled carbon nanotubes composite fibers

ZHAO Mingyu1,2,3， LIU Haihui1,2,3， WANG Xuechen1,2,3， ZHANG Xingxiang1,2,3

(1.StateKeyLaboratoryofSeparationMembranesandMembraneProcesses,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.TianjinMunicipalKeyLabofAdvancedFiberandEnergyStorage,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 3.SchoolofMaterialScienceandEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

To promote the recycling of waste wool, keratin was extracted from the waste wool using L-cysteine as reducing agent, and spinning solution was prepared by dissolving the regenerated keratin in the sodium carbonate-sodium bicarbonate buffer. Multi-walled carbon nanotubes were functionalized with 4-substituted benzoic acid by direct Friedel-Crafts acylation. Regenerated keratin/functionalized multi-walled carbon nanotubes (F-MWCNTs) composite fibers were wet-spun from the mixed solution of F-MWCNTs suspension and keratin solution. The results show that F-MWCNTs were homogeneously dispersed in keratin matrix without any aggregation. With the addition of F-MWCNTs, the composite fibers present crystallinity and content of β-sheet greater than pure keratin fibers. The low addition of F-MWCNTs enhanced the mechanical properties of composite fibers, and the highest breaking stress of the composite fibers reaches 91.5±12.6 MPa with 0.15% F-MWCNTs, which is improved by 139% in comparison with that of pure keratin fibers.

wool keratin; protein fiber; multi-walled carbon nanotube; Friedel-Crafts acylation; wet spinning

10.13475/j.fzxb.20160703405

2016-07-14

2016-11-10

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(13JCZDJC32100)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“重點(diǎn)基礎(chǔ)材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化”專(zhuān)項(xiàng)(2016YFB0303000)

趙明宇(1992—)，男，碩士生。主要研究方向?yàn)檠蛎鞍自偕w維合成。張興祥，通信作者，E-mail:zhangtjpu@hotmail.com。

TQ 342

A