納米氧化石墨烯添食育蠶制備高強度蠶絲

詹 琦，蔡凌月，范蘇娜，邵惠麗，張耀鵬

(纖維材料改性國家重點實驗室，東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620)

蠶絲是一種功能性蛋白質(zhì)纖維，具有優(yōu)異的機械性能、良好的生物相容性和生物可降解性，已被廣泛用于生物傳感器、生物醫(yī)用材料和智能設(shè)備等領(lǐng)域[1-3]。為了擴展蠶絲的應(yīng)用，研究者已經(jīng)通過各種不同的方法對蠶絲進行改性，賦予其新的功能。其中，基因工程法是通過改變家蠶的基因序列來達到改性目的[4]，但高成本、低效率限制了其深入發(fā)展。后處理法則是通過物理吸附或化學(xué)結(jié)合將有機染料或無機納米粒子引入到蠶絲表面[5]，但是環(huán)境污染、制備復(fù)雜和粘合穩(wěn)定性等問題亟待解決。而添食育蠶法操作簡單、綠色環(huán)保且工業(yè)化前景廣闊[6]。氧化石墨烯(graphene oxide，GO)表面含有豐富的極性基團，如羥基、羧基、羰基等，能與絲素分子形成強氫鍵從而起到增強作用[7]。同時，GO還具有優(yōu)異的潤濕性、較高的比表面積、最小的電阻率、較好的力學(xué)性能，有望賦予蠶絲優(yōu)異性能[8]。本文采用添食育蠶法，向五齡期家蠶喂食納米GO改性的人工飼料制備高強度蠶絲。

1 試 驗

1.1 原料

家蠶人工飼料，山東蠶業(yè)研究所煙臺綠寶蠶用飼料廠；蠶卵，廣西蠶業(yè)研究所；去離子水，自制；碳酸鈉，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；GO，濃度為0.5 mg/mL的懸浮液，單層，平均粒徑515 nm，常州第六元素材料科技股份有限公司。

1.2 設(shè)備

掃描電子顯微鏡，JEM-5600LV型，日本JEOL電子株式會社；傅里葉變換紅外光譜儀，Nexus670型，美國Nicolet公司；X射線衍射微聚焦線站，BL15U1型，上海同步輻射光源；熒光/偏光顯微鏡，BX-51 型，日本奧林巴斯株式會社；材料試驗機，Instron-5565型，美國英斯特朗公司。

1.3 家蠶人工飼料的制備

普通飼料的制備：飼料干粉與去離子水按1∶2的質(zhì)量比混合并充分?jǐn)嚢瑁胖梦⒉t中加熱8 min，糊狀熟制飼料取出后用保鮮膜包裹壓制為厚度為3 mm左右的軟片，然后切為寬度為1 cm的長方形軟條。

GO改性飼料的制備：GO與飼料干粉先按0.05‰、0.1‰、0.25‰、0.5‰的質(zhì)量比混合，后續(xù)過程與普通飼料制備過程相同。喂食不同含量GO改性飼料所得對應(yīng)家蠶分別命名為Control家蠶、0.05‰家蠶、0.1‰家蠶、0.25‰家蠶、0.5‰家蠶。喂食不同含量GO改性飼料所得對應(yīng)脫膠蠶絲分別命名為Control、GO-0.05‰、GO-0.1‰、GO-0.25‰、GO-0.5‰。

1.4 家蠶飼養(yǎng)

家蠶一齡至四齡期間均在(23±2)℃、(75±10)%的相對濕度環(huán)境下喂食普通飼料。五齡第一天，將家蠶平均分為5組，對照組喂食普通飼料，實驗組分別喂食不同濃度的GO改性飼料。

1.5 蠶絲脫膠

將已剝成片狀的蠶繭在質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%碳酸鈉溶液中煮沸30 min，而后將蠶絲取出搓洗至無絲滑感。重復(fù)以上步驟一次，將脫膠絲風(fēng)干24 h，收集備用。

1.6 性能表征

脫膠絲掃描電子顯微鏡(SEM)測試：脫膠絲進行預(yù)噴金處理，然后采用掃描電子顯微鏡觀察脫膠絲的表面形貌，樣品在10 kV電子加速電壓下進行拍攝。

脫膠絲的紅外光譜(FTIR)測試：采用衰減全反射(ATR)傅里葉變換紅外光譜儀對脫膠絲進行測試，采用ATR附件。使用PeakFit(V4.12)軟件對紅外光譜的酰胺I區(qū)進行分峰擬合，并計算脫膠絲的無規(guī)卷曲/α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角含量。

脫膠絲的結(jié)晶結(jié)構(gòu)表征：廣角X射線衍射(WAXD)在上海同步輻射光源的X射線衍射微聚焦線站(BL15U1)測試。能量為16 keV，光斑大小為3 μm×2 μm，X射線波長為0.774 6 nm，曝光時間為30 s，樣品到探測器的距離為195 mm。

脫膠絲的力學(xué)性能表征：采用熒光/偏光顯微鏡拍攝脫膠絲照片，每根脫膠絲隨機取5個點計算平均直徑。采用材料試驗機對脫膠絲進行力學(xué)性能測試，測試?yán)焖俾蕿? mm/min，夾具距離為15 mm，測試溫度為(20±1)℃，相對濕度(40±5)%。每個樣品測試(20±5)根脫膠絲。

2 結(jié)果與討論

2.1 GO的添食對家蠶生長、蠶繭和脫膠絲形貌的影響

圖1為添食不同濃度GO的五齡家蠶和蠶繭的照片以及相應(yīng)脫膠絲的SEM圖。

由圖可知，實驗組與對照組相比，家蠶的外觀一致、顏色大小均一，所得蠶繭宏觀及細(xì)節(jié)上也無顯著的物理差異。表明GO的添食對家蠶正常生長以及蠶繭外觀基本沒有影響。由SEM圖可知，對照組與實驗組脫膠絲表面均非常光滑，形貌及直徑基本一致，表明GO的添食對蠶絲的表面形貌也無明顯影響。飼養(yǎng)過程中，全部家蠶均健康生長，未出現(xiàn)發(fā)育遲緩或死亡個體，表明GO的添食不會影響家蠶正常生長及紡絲行為。

圖1 添食不同濃度GO的五齡家蠶和蠶繭的照片以及相應(yīng)脫膠絲的SEM圖(a) 五齡熟蠶、蠶繭照片及脫膠絲SEM圖，(b) 蠶繭的光學(xué)照片

2.2 GO的添食對蠶絲二級結(jié)構(gòu)的影響

表1為脫膠絲紅外光譜在酰胺I區(qū)(1 580～1 720 cm-1)分峰擬合[9]得到的二級結(jié)構(gòu)含量。

表1 脫膠絲二級結(jié)構(gòu)含量

由表可知，實驗組脫膠絲的無規(guī)卷曲/α-螺旋構(gòu)象含量高于對照組，β-折疊構(gòu)象含量低于對照組。隨著GO添食濃度的增大，脫膠絲的β-折疊構(gòu)象含量逐漸降低，無規(guī)卷曲/α-螺旋構(gòu)象含量變化則呈現(xiàn)相反的趨勢。β-轉(zhuǎn)角構(gòu)象含量變化無明顯規(guī)律。以上結(jié)果表明，GO的添食阻礙了絲素蛋白無規(guī)卷曲/α-螺旋構(gòu)象向β-折疊構(gòu)象的轉(zhuǎn)變，其原因可能在于GO表面大量的極性基團如羧基、羥基等與絲素蛋白形成了氫鍵，從而限制了分子鏈運動及重排。

2.3 GO的添食對蠶絲結(jié)晶結(jié)構(gòu)及中間相結(jié)構(gòu)的影響

WAXD常用于研究脫膠絲的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶取向[10]。表2為對一維WAXD曲線進行分峰擬合得到的脫膠絲的赫爾曼取向因子、晶區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)、中間相結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表2 脫膠絲赫爾曼取向因子、晶區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)及中間相結(jié)構(gòu)參數(shù)

由表可知，與對照組脫膠絲相比，隨著GO添食濃度的增加，實驗組脫膠絲的結(jié)晶度逐漸降低，中間相含量逐漸增加，這與FTIR光譜所得二級結(jié)構(gòu)含量變化一致。實驗組脫膠絲在鏈間(對應(yīng)(200)晶面)方向上的晶粒尺寸先增大后減小，在片層間(對應(yīng)(020)晶面)方向上的晶粒尺寸逐漸增大，在纖維軸(對應(yīng)(002)晶面)方向上晶粒尺寸變化無明顯規(guī)律。蠶絲晶體結(jié)構(gòu)可以被近似看做立方晶系，其晶粒尺寸的計算公式為L(200)×L(020) ×L(002)[11]，計算結(jié)果表明實驗組脫膠絲晶粒尺寸隨著GO含量的增加而減小。實驗組與對照組的晶區(qū)取向和中間相取向無顯著區(qū)別。原因在于GO表面豐富的極性基團易與絲素蛋白發(fā)生作用形成氫鍵，從而限制了蛋白質(zhì)分子鏈的自由運動，起到了限制結(jié)晶的作用，因此經(jīng)GO的改性脫膠絲形成了晶粒尺寸小、結(jié)晶度低的結(jié)構(gòu)。

2.4 GO的添食對蠶絲力學(xué)性能的影響

圖2為脫膠絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖2 脫膠絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖可知，GO的添食對脫膠絲力學(xué)性能產(chǎn)生了一定影響。與對照組脫膠絲相比，GO-0.05‰和GO-0.1‰組脫膠絲力學(xué)性能無明顯變化；而GO-0.25‰和GO-0.5‰組脫膠絲斷裂強度有一定提升，斷裂伸長率略微降低，當(dāng)添食濃度為0.5‰時，改性脫膠絲的斷裂強度提升至(508±28)MPa。GO表面豐富的羥基、羧基等極性基團與絲素蛋白分子上的氨基、羧基等相互作用形成氫鍵，加之GO本身的剛度，對纖維的力學(xué)性能起到增強作用，同時中間相含量的增加也對力學(xué)性能的增強起到一定作用。

3 結(jié) 語

a) GO的添食對家蠶正常生長、蠶繭外觀及蠶絲表面形貌無明顯影響。

b) GO的添食會阻礙絲素蛋白由無規(guī)卷曲/α-螺旋構(gòu)象向β-折疊構(gòu)象的轉(zhuǎn)變；脫膠絲結(jié)晶度及晶粒尺寸隨GO濃度的增加而減小，中間相含量變化呈相反趨勢，晶區(qū)取向和中間相取向略微下降。

c) GO的添食能提升脫膠絲的力學(xué)性能。當(dāng)添食濃度為0.5‰時，脫膠絲的斷裂強度提升至(508±28)MPa，斷裂伸長率略微降低。