高性能纤维——蜘蛛丝.doc

高性能纤维蜘蛛丝专业：纺织工程 姓名:赵树超 学号：200920301019摘要：蜘蛛丝具有非常优异的性能特征，如其具有综合的钢性、强度和弹性及生物可降解性等，这些特点使得蜘蛛丝在许多领域具有广阔的应用前景。本文主要分析了蜘蛛丝的结构、性能、分子结构与性能的关系、制备及应用。关键词：蜘蛛丝；结构；性能；机理；制备；应用前言 蜘蛛丝属于蛋白质纤维，是一种天然高分子纤维和生物材料。蜘蛛丝具有很高的强度、弹性、伸长、韧性及抗断裂性，同时还具有质轻、耐紫外线、比重小、耐低温的特点，是其它纤维所不能比拟的，尤其具有初始模量大、断裂功大、韧性强的特性，是加工特种纺织品的首选原料。蜘蛛丝纤维由蛋白质组成，是一种可生物降解且无污染的纤维。其特殊的结构和性能，在纺织行业、医疗卫生和军事领域等方面产生了极其重要的影响。蜘蛛丝滑爽柔软，光汗优雅。但是数量少。目前国内外许多科学家已通过基因工程，将蜘蛛的基因移植到蚕体及其它植物和动物等体内，从而使蜘蛛丝蛋白质纤维实现工业化生产的梦想成为现实。相信，随着科学技术的发展，蜘蛛丝纤维将广泛用于纺织服装业等多个领域，成为新一代高性能生物材料。1 蜘蛛丝的结构和组成1.1 蜘蛛丝纤维的组成 蜘蛛丝的主要成份是蛋白质，基本组成单元为氨基酸。蜘蛛丝含l7种左右氨基酸，各种氨基酸的含量因蜘蛛的种类不同而存有一定的差异。蜘蛛丝中较大的7种氨基酸含量占其总量的90，它们分别为甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、脯氨酸、丝氨酸、亮氨酸和精氨酸。1.2 蜘蛛丝纤维的微观结构 蜘蛛丝由前纺器纺区、中纺器纺区、后纺器纺区三组喷嘴喷射形成，分子结构是由原纤丝组成，而原纤丝又由120nm微原纤组成，微原纤是由蜘蛛丝蛋白构成的高分子化合物。蜘蛛丝横截面接近圆形，直径为6.9m，是单丝，由两组丝腺组成，中间没有丝胶，没有覆盖于表面的水溶性物质。蜘蛛丝的纵向形态是丝中央有一道凹缝痕迹，在水中有大的溶胀性，截面会发生膨胀，径向则会发生明显的收缩。1.3 蜘蛛丝纤维的空间结构 蜘蛛丝蛋白主要由非结晶状态部分和结晶状态部分构成；结晶状态部分主要由丙氨酸残基序列组成，并形成反向平行的折叠片层，多个折叠片层的部分而成为结晶状态；非结晶状态的部分由富含甘氨酸的单链多肽构成，形成螺旋起连接晶体部分的作用。片层之间以转角相连，而螺旋所构成的非结晶状态的部分将各片层连成一个线状整体。1.4 蜘蛛丝纤维的分子构象 蜘蛛丝的分子构象为折叠链，分子链沿着纤维轴线的方向呈反平行排列，相互间以氢键结合，形成折曲的栅片，其多肽链排列整齐、密集形成结晶区，栅片间为非结晶区。2 蜘蛛丝的性能2.1 蜘蛛丝的物理、化学性能 蜘蛛丝光滑、闪亮呈金黄色，物理密度1.34gcm3 ，耐紫外线性能强，而且较耐高温、耐低温，在200以下表现热稳定性，300 以上才黄变，在-40蜘蛛丝依然有弹性，是耐高温和低温的理想纤维材料。此外，蜘蛛丝还具有特殊的溶解特性。它不溶于稀酸、稀碱，仅溶于浓硫酸、溴化锂、甲酸等，在加热时能微溶于乙醇，并且对大部分蛋白水解酶具有抗性，所显示的橙黄色遇碱加深遇酸褪色。由于蜘蛛丝的构造材料几乎完全是蛋白质，所以它是生物可容的，并可以生物降解和回收。2.2 蜘蛛丝的力学性能 蜘蛛丝纤维具有良好的机械性能，如高强度、高伸长，高抗压缩性等。一般的蜘蛛丝纤维具有接近高性能合成纤维的伸长强度，有的蜘蛛丝纤维还具有超过200 的伸长，且丝纤维的伸长率随负荷的增加而增大，同时强度和模量也增大。蜘蛛的牵引丝具有很高的强度和韧性，综合性质最好，而且明显优于其他天然丝和合成丝纤维。反映弹性大小的伸长度，蜘蛛丝和蚕丝相当；但反映刚性大小的初始模量，蜘蛛丝明显优于其他纤维，表现最好，蜘蛛丝的强度也最高，尽管蜘蛛丝的刚性不如钢丝，强度不如做防弹衣材料的Kevlar，但其优点是韧性最好，断裂能最高而质地最轻。蜘蛛丝具有综合的钢性、强度和弹性。3 蜘蛛丝的分子结构与性能的关系 3.1 高强度形成机理 蜘蛛丝的分子构象为折叠链，分子链沿着纤维轴线的方向呈反平行排列，相互间以氢键结合，其多肽排列整齐、密集形成结晶区，结晶区之间为非结晶区。由于结晶区的多肽链分子间以氢键结合，因而分子间作用力很大，沿着纤维轴线方向排列的结晶区结构使纤维在外力作用时有较多的分子链能承受外力作用，所以蜘蛛丝具有高强度。3.2 高弹性形成机理 蜘蛛丝具有良好弹性的主要原因是非结晶区的结构。蜘蛛丝非结晶区分子链呈转角状，当受到拉伸时可能形成转角螺旋，从而赋予蜘蛛丝良好的弹性。而沿着纤维轴线方向排列的晶态折叠链栅片可以看作具有多功能铰链作用，在非结晶区域内形成一个模量较高的薄壳，从而使蜘蛛丝具有较高模量和良好弹性。4 蜘蛛丝的制备 蜘蛛的产丝量小，提取工艺复杂，且同类相食，无法高密度养殖以获取蜘蛛丝。随着科学技术的发展，开发生产蜘蛛丝已成为可能。人们在获取蜘蛛丝蛋白基因后，利用已清楚的氨基酸重复序列信息，人工合成其类似DNA片段，通过微生物、动物、植物等途径表达蜘蛛丝蛋白后进行溶液纺丝，以获取蜘蛛丝纤维。4.1 微生物途径 将蜘蛛基因转入微生物中，通过微生物的分裂繁殖来达到生产具有蜘蛛丝特性的纤维，该方法成本低，生产效率高。如将产丝的蜘蛛基因植入细菌中，产丝基因演变成独立的细菌，进行几百万次繁殖生产出丝。这种细菌的出现，不但降低了产丝的成本，而且还会提高丝的质量。4.2 动物途径 在某些哺乳动物如山羊、奶牛等动物体内注入蜘蛛基因之后，从所产的乳液中可提取一种特殊的蛋白质，这种含有蜘蛛丝基因的蛋白质可用来生产蜘蛛丝纤维。4.3 植物途径 将蜘蛛丝基因移植人植物，培育出能够产生丝蛋白的转基因植物。该方法是将蜘蛛体内丝蛋白基因注入土豆和烟草等植物中，以使这些植物在它们的组织中制造大量的丝蛋白，通过植物大面积的种植，获取丝蛋白。提取这类植物中的类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质，用作纺纱的原料。用所得到的植物蛋白质进行纺丝，这种丝可制织具有超强韧性的工程材料及能自行分解的化学织物，减少了对环境的污染，成本可能还要低廉。因此成功地培育出能够生产丝蛋白的转基因植物，将为大量制取丝蛋白开辟新途径。4.4 蚕吐丝途径 利用转基因技术，将蜘蛛“牵引丝”部分的基因通过“电穿孔”的方法注入蚕卵中，在家蚕的基因重链中就产生部分蜘蛛牵引丝的基因。从而使蚕丝的易折皱变形、弹性小等性能得到改进。5 蜘蛛丝的应用5.1 用于纺织制衣 蜘蛛丝弹性好、柔软，穿着舒适，是很好的纺织纤维。蜘蛛丝制成的织物会成为新一代的时尚面料，可制成服装、围巾、帽子等。人们已经相当成功地利用蜘蛛丝进行纺丝加工和织造加工。5.2 高强度材料 蜘蛛丝的强度高，韧性大和一定的热稳定性，在极高温度下才会分解，因此蜘蛛丝可用于结构材料、复合材料和宇航原装等高强度材料用蜘蛛丝编织成具有一定厚度的材料进行实验，可发现其强度比同样厚度的钢材高9倍，弹性比具有弹性的其它材料高2倍因此，对蜘蛛丝进行进一步加工，可用于织造车轮外胎、高强度的鱼网等在建筑方面，蜘蛛丝可用做结构材料和复合材料，代替混凝土中的钢筋，应用于桥梁、高层建筑和民用建筑等，可大大减轻建筑物自身的重量。5.3 用于医疗 蜘蛛丝的优越性还在于它是蛋白质纤维，与人体具有“兼容性”。通过转基因技术得到具有蜘蛛丝特点的“生物钢”制成人工关节、韧带、人类使用的假肢、人造肌腱等产品，具有韧性好、可降解等特性。蜘蛛丝在医学和医疗方面有广泛用途。5.4 电子领域 其半晶体结构可以发展生物半导体技术，其稳定的室间构象和在一定条件下可逆的自装配行为可作为生物计算机的优良材料。6 总结 蜘蛛丝作为一种新兴的生物材料，有着独特、优异的性能。随着科技手段的迅速发展，对蜘蛛丝的形成、内部微细结构及结构和性能关系的研究，必将使蜘蛛丝有十分广阔的发展空间，蜘蛛丝将广泛应用于医疗卫生、军事、高强度材料及纺织工业，从而推动纺织业的发展。参考文献：1潘志娟蜘蛛丝优异力学性能的结构机理及其模化D苏州大学，2O02.2黄君霆蜘蛛丝研究的动向J丝绸，1999(9)：47493盛家镛，潘志娟，陈宇岳蜘蛛丝的化学组成与结构初探J丝绸，2OO0(4)：8104张前军，李 敏蛛丝蛋白的研究进展及应用前景J生物工程进展，2001，21(6)：1921.5潘志娟，李春萍等高性能蛋白质纤维蜘蛛丝的研究与应用(1)J.丝绸，2004(10)：40