《纺织品基础》课件-蜘蛛丝

蜘蛛丝04蜘蛛丝的前景展望TheapplicationprospectsandprospectsofspidersilkCONTENTS目录03蜘蛛丝仿生学研究举例ExamplesofBiomimeticResearchonSpiderSilk02蜘蛛丝的性能与研制ThePerformanceandDevelopmentofSpiderSilk01天然蛛丝的组成与结构ThecompositionandstructureofnaturalspidersilkPARTONEPARTONE天然蛛丝的组成与结构PART

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天然蜘蛛丝是一种由天然高分子-蛋白质组成的材料，通过蜘蛛腹部的丝腺分泌形成，其主要为包含甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸等多种氨基酸的粘性多组分纤维。液态蜘蛛丝（水熔熔体aquamelt）的固化过程：高分子链在溶液中被拉伸，其构象发生变化，周围的水化层被干扰而破裂，蛋白质分子之间的氢键由于水化层的弱化重新建立起来，大量氢键的形成促进了蛋白质分子的结构。一、天然蛛丝的组成与结构蜘蛛有各种各样的腺体，可以产生的不同结构和功能的丝，有大壶状腺丝、小壶状腺丝、葡萄状腺丝等7种。其中大壶状腺丝也叫牵引丝，主要由MaSp1和MaSp2两种蛛丝蛋白构成。蛛丝蛋白分为两端非重复区域的氨基端和羧基端以及中间的重复区域，中间重复区域可分为结晶区、伪无定形区和无定形区，其中结晶区由尺寸约2nm的纳米晶β片组成，两端非重复区域控制蛛丝纤维的形成。一、天然蛛丝的组成与结构蜘蛛丝具有很多独特的结构，如包括嵌入柔软的半无定形蛋白质基质中的硬质β-片纳米晶体。半无定形蛋白质基质与β-片纳米晶体之间的协同作用赋予其显著的强度和韧性。蜘蛛丝也是一种核壳结构的纤维，内部有纳米原纤维组成，其有像渔网一样的结构形态，外部存在糖蛋白和脂质组成的表面层，能够帮助其承受一定的湿度和阳光照射。一、天然蛛丝的组成与结构PARTONEPARTONE蜘蛛丝的性能与研制PART

TWO韧性蜘蛛丝的直径只有几微米，物理密度接近羊毛，科学研究表明，其强度约为钢铁的5倍，弹性约为芳纶的10倍，拉伸强度甚至可以达到109N，韧性超出很多天然及合成纤维。蜘蛛丝中存在蛋白质以β-折叠的形式形成物理交联，无定形区形成卷曲盘绕的线圈结构，并有氢键相互作用。当受到外力时，氢键断裂，卷曲的线团舒展从而消耗能量。强度二、蜘蛛丝的性能与研制据研究，蜘蛛丝具有高拉伸强度、高韧性、良好的热导率、光学特性、超收缩性、阻尼、集水和扭转驱动等性能。蜘蛛的种类、食物谱、营养条件、蜘蛛体重、纺丝时的温湿度、介质、纺丝方式和速度等因素都会影响到蛛丝的结构和性能。二、蜘蛛丝的性能与研制蜘蛛丝的主要应用领域有纺织工业、生物医用、军工、建筑、光电传输和航空航天等。目前已出现由天然或人造蜘蛛丝制备的纺织品和其他应用材料。二、蜘蛛丝的性能与研制虎纹捕鸟蛛，溶解再纺丝，生物相容性良好人工养殖蜘蛛引入碳纳米管、纳米茹土等对聚乙烯醇、聚乙二醇等聚合物进行物理复合增强微结构仿生物理复合如微生物表达法、植物载体法、家蚕载体法等，选择不同表达系统获得具有蛛丝性能的生物纤维基因工程技术二、蜘蛛丝的性能与研制PARTONEPARTONE蜘蛛丝仿生学研究举例PART

THREE南开大学刘遵峰教授与中国药科大学周湘和鲍丽丽博士受蜘蛛丝的超收缩行为启发，制备了具有壳核结构水凝胶棉线复合纤维的智能响应织物，能感应湿度，自主适应并贴合不规则物体表面。同手性CHY螺旋纤维可超收缩90%，异手性可伸长450%，可重复多次使用。三、蜘蛛丝仿生学研究举例香港城市大学支春义教授团队受蜘蛛丝中β-片晶中独特氢键阵列启发，开发了一种独特的粘接剂，将交联超分子聚氨酯脲与聚丙烯酸结合，具有高粘附力、弹性和韧性。采用该ASP粘接剂制备的柔性电池实现了高达420Wh/L的真实能量密度，有良好的机械稳定性。三、蜘蛛丝仿生学研究举例广东工业大学安太成教授团队基于蛛丝捕获空气中微尘并将雾气凝聚成微小液滴的特性，制备了一种仿生人造蜘蛛丝（ASS）光催化剂，由尼龙纤维上的TiO2周期性纺锤体结构组成，通过表面能梯度和纺锤结构几何形貌形成的拉普拉斯压差协同作用，可以有效捕获和浓缩空气中的细菌并进行原位光催化灭活。三、蜘蛛丝仿生学研究举例PARTONEPARTONE蜘蛛丝的前景展望PART

FOUR多样性与特异性蜘蛛种类繁多，分布极广，有各种各样的生活史，能适应多种环境条件，随着对蛛丝广泛而深入的研究，可以预见还会有不同结构和性能的蛛丝被发现。遗传和机制机理解析通过对蛛丝多级结构与性能之间的关系研究以及分子细胞、基因层面的研究，也将进一步推动人们对优异性能和具多种高性能的纤维材料仿生设计的研究和利用。四、蜘蛛丝的前景展望能量耗散热耗散光学传感器人造肌肉软体机器人生物医学应用前景四、蜘蛛丝的前景展望人造蛛丝的研制在一些方面达不到天然蜘蛛丝纤维的特性原因可能是人工和天然纺丝液的区别，包括分子量和浓度、纺丝过程和吐丝过程的区别，pH、金属离