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1、蛋白質(zhì)纖維具有光滑柔順、透氣吸濕等優(yōu)點(diǎn),然而能夠直接利用的蛋白纖維產(chǎn)量有限,價(jià)格昂貴。利用自然界廣泛存在的蛋白質(zhì)資源制備再生蛋白纖維提供了一條有效的途徑;然而蛋白質(zhì)因強(qiáng)烈的分子內(nèi)和分子間相互作用導(dǎo)致其熔點(diǎn)高于分解溫度,不能夠進(jìn)行熔融加工,且溶解再生過(guò)程中大分子鏈容易降解。因此,再生蛋白纖維的制備通常采用與其它成纖高分子接枝或共混的方法,其中選擇蛋白質(zhì)與其它高分子的共同溶劑進(jìn)行共溶解、紡絲成形,有利于提高再生蛋白纖維的斷裂強(qiáng)度。本論文選取
2、天然可再生的纖維素與蛋白質(zhì)共混,采用1-丁基-3-甲基-咪唑氯鹽([BMIM]Cl)為溶劑進(jìn)行共溶解,在研究共混溶液特性的基礎(chǔ)上,進(jìn)行干噴濕紡試驗(yàn),研究了成形工藝與共混纖維結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系,期望獲得兩相均勻分散、滿足服用要求的纖維素/蛋白質(zhì)共混纖維。
共混再生纖維中纖維素與絲素蛋白相形態(tài)可以追溯至共混溶液的兩相形態(tài),但研究高分子共混溶液相形態(tài)的直接手段有限。我們采用流變方法研究了纖維素/絲素蛋白組分比、溫度和剪切速率對(duì)共混溶液流
3、變特性的影響,對(duì)比理想加和體系的流變參數(shù),推測(cè)了溶液中纖維素與蛋白質(zhì)的相形態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)溶液中纖維素/絲素蛋白組分比大于0.5時(shí),低粘度的蛋白質(zhì)溶液以較小相疇尺寸分散于纖維素連續(xù)相中;蛋白質(zhì)為主要組分時(shí),連續(xù)相由纖維素轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì),纖維素相疇尺寸較大。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)增大剪切速率有助于減小纖維素與絲素蛋白相疇尺度,提高兩相分散均勻性。對(duì)照再生纖維素/絲素蛋白共混膜的相形態(tài),驗(yàn)證了流變結(jié)果的推論。
為說(shuō)明共混溶液制備、存放和成形
4、過(guò)程中的穩(wěn)定性,進(jìn)一步研究了纖維素/絲素蛋白/[BMIM]Cl共混體系的流變特性隨溫度的變化。結(jié)果表明,纖維素/絲素蛋白損耗角正切(tanδ)隨溫度的變化符合Winter和Chambon提出的溶液-凝膠轉(zhuǎn)變規(guī)律,是一種熱可逆的物理凝膠。凝膠轉(zhuǎn)變溫度(Tgel)隨纖維素/絲素蛋白總濃度的增加而變大,凝膠的致密程度也相應(yīng)提高。選取纖維素/絲素蛋白總含量為6 wt%的共混溶液,研究纖維素/絲素蛋白組分比對(duì)體系溶液-凝膠轉(zhuǎn)變的影響,隨著共混體系
5、中絲素蛋白含量的增加,Tgel減小,凝膠結(jié)構(gòu)更松散。由此推測(cè),纖維素/絲素蛋白/[BMIM]Cl體系在降溫過(guò)程中,纖維素是形成凝膠的組分,絲素蛋白在這一過(guò)程中不發(fā)生凝膠化。
在共混溶液特性研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了纖維素/絲素蛋白共混溶液的干噴濕紡試驗(yàn)。首先研究了凝固浴組成(乙醇、乙醇/[BMIM]Cl、水)和凝固浴溫度對(duì)再生纖維組成和形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。以水為凝固劑時(shí),再生蛋白質(zhì)為無(wú)規(guī)卷曲和α螺旋構(gòu)象,溶于水中,共混纖維中蛋白質(zhì)含量較
6、低。以乙醇為凝固劑時(shí),形成的再生蛋白質(zhì)為β-折疊構(gòu)象,不溶于乙醇而有效地保留在共混纖維中;同時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)以適當(dāng)比例的乙醇/[BMIM]Cl為凝固浴時(shí),共混纖維中的蛋白質(zhì)保留量提高。通過(guò)激光共聚焦顯微鏡(LSCM)觀察再生纖維中纖維素與絲素蛋白的相形態(tài),發(fā)現(xiàn)以乙醇為凝固浴的再生纖維中蛋白質(zhì)沿纖維軸向呈―原纖狀‖分布,凝固劑中添加[BMIM]Cl,蛋白質(zhì)沿徑向分布更均勻。降低凝固浴溫度,紡絲細(xì)流粘度增加,蛋白質(zhì)和[BMIM]Cl的擴(kuò)散都減緩,
7、再生纖維中蛋白質(zhì)保留量提高,蛋白質(zhì)沿纖維徑向分布更為均勻,纖維的斷裂強(qiáng)度與初始模量相應(yīng)較高。
在優(yōu)化凝固動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上,研究了纖維素/絲素蛋白組分比、牽伸倍數(shù)對(duì)纖維兩相形態(tài)、結(jié)構(gòu)與性能的影響。結(jié)果表明,再生蛋白質(zhì)以―原纖狀‖分散在纖維素中,其徑向尺寸為0.5-1.0μm,并隨蛋白質(zhì)含量提高而增大,再生纖維斷裂強(qiáng)度則隨著蛋白質(zhì)含量的增加而減小,但含有37.2 wt%絲素蛋白的纖維,其斷裂強(qiáng)度依然可以達(dá)到191 MPa,滿足服用要
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