新型天然纤维-蜘蛛丝

新型天然纤维-蜘蛛丝 新型天然纤维——蜘蛛丝 专业:纺织工程 班级:0902 姓名:王少梅 中文摘要: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医疗卫生、航天航空、军事等领域具有广阔的应用前景。本文主要介绍了蜘蛛丝的结构、性能、生产方法以及应用。 关键词:蜘蛛丝;结构;性能;生产方法;应用 前言:进入21世纪，健康、安全、绿色环保已经成为人们关注的焦点之一。在石油、森林等资源备受保护的今天，利用生物技术开发生物纤维将是21世纪的主要发展趋势之一。以生物工程和转基因方法开放的性能优良的蜘蛛丝，已成为生物专家、纺织专家积极进行研究的课题，并且获得许多重要成就。 一 蜘蛛丝纤维的概况 (一)蜘蛛丝的简介 蜘蛛丝是一种天然高分子蛋白纤维和生物材料。其纤维具有很高的强度、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。蜘蛛丝有很多的工业用途，但是，它不能像养蚕那样进行商业养殖，其地域性和进攻性使其不能进行大量的养殖，并且蜘蛛吐出的丝并不是像蚕那样形成茧丝，而是蜘蛛“网”丝，也就是所谓的“抽丝”或“网络丝”。 (二) 蜘蛛丝的组成 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(见1)。 表1 不同种类蜘蛛丝的主要氨基酸组成 氨基酸(主壶腹腺) 十字圆蛛 大腹圆蛛 络新妇蛛 甘氨酸 41.30 35.30 48.69 丙氨酸 18.30 17.88 24.85 谷氨酸 11.86 12.73 10.49 脯氨酸 9.55 12.68 2.15 丝氨酸 4.74 4.90 2.11 亮氨酸 1.76 1.35 2.63 精氨酸 0.49 1.55 1.94 蜘蛛丝的主要化学成分是甘胺酸(NHCH-COOH)、丙胺酸-22 (NH-CH(CH)-COOH)及小部分的丝胺酸(NH-CH(CHOH)-COOH)，加上其2322 它胺基酸单体蛋白质分子链构成。外观上又细又柔软的蜘蛛丝之所以具有极好的弹性和强度，其原因在于:一方面，蜘蛛丝中具有不规则的蛋白质分子链，这使蜘蛛丝具有弹性;另一方面，蜘蛛丝中还具有规则的蛋白质分子链，这又使蜘蛛丝具有强度。 二 蜘蛛丝的结构 (一)蜘蛛丝的形态 蜘蛛丝呈金黄色，具有透明外观，在超倍电子显微镜下，看起来与蚕丝很相 似。它的超分子结构是由原纤组成，而原纤由120nm的微原纤组成，微原纤则是由蜘蛛丝蛋白构成的高分子化合物。纤维的横截面呈圆形或接近圆形，表面没有水溶性物质和丝胶;纵向形态有明显的收缩，丝中央有一道凹痕。蜘蛛丝在水中有较大的溶胀性，截面会发生膨胀而径向则会发生明显的收缩。蜘蛛丝是单丝，直径只有几微米，物理密度接近羊毛。蜘蛛的腺液离开蜘蛛体后，会立刻成为固体，形成一种蛋白质丝，固化后的蜘蛛丝不溶于水，并具有其他纤维无法比拟的性能。 蜘蛛丝具有皮芯层结构，皮层和芯层可能是由两种不同的蛋白质组成的，皮芯层分子排列的稳定性也不同，皮层蛋白的结构更稳定。蜘蛛丝的皮层和芯层是由腺体的2个不同区域组成的，皮层液状蛋白为六角形的柱状液晶，液晶状的皮层在外力的作用下，容易取向排列，且皮层凝固速度高于芯层，所以皮层拉伸效果比芯层好，同时皮层分子排列的规整程度高于芯层，因此皮层化内层致密，对纤维有很好的保护作用，这使蜘蛛丝能表现出较高的强度和韧性。蜘蛛丝纤维在外力作用下分子链会逐渐伸直，致密的皮层能使纤维的断裂有一个缓冲过程，同时在外力继续作用下，芯层的原纤和原纤内的分子链能够沿着外力作用方向取向、重排和形成新的结合，所以皮层这种致密结构使得拉伸过程中纤维的各部分都能够被有效利用，这也是蜘蛛丝断裂伸长大的主要原因 (二)蜘蛛丝的微观结构 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 μm，是单丝，由两组丝成的高分子化合物。蜘蛛丝横截面接近圆形，直径为6.9 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。 (三)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β—折叠片层，多个β—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α—螺旋起连接晶体部分的作用。β—片层之间以β—转角相连，而α—螺旋所构成的非结晶状态的部分将各β—片层连成一个线状整体。 (四)蜘蛛丝纤维的分子构象 蜘蛛丝的分子构象为β—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。 三 蜘蛛丝的性能 (一)物理性能 蜘蛛丝光滑、闪亮呈金黄色，物理密度是1.34 g/cm3，与蚕丝和羊毛接近。，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。 (二)蜘蛛丝最吸引人的地方是其具有优异的力学性能，即高强度、高弹性、高柔韧性、高断裂能。 1、断裂性能 由表2可以看出，大腹圆蜘蛛的牵引丝、框丝和外层包卵丝的断裂强度均比蚕丝丝素大，断裂伸长是丝素的3,5倍，断裂比功也比丝素大得多。蜘蛛丝的断裂强度虽然不及钢丝和用于制造防弹衣的高性能纤维Kevlar， 但是其断裂伸长是钢丝的5,10倍，是Kevlar的10,20倍，其断裂功比钢丝和Kevlar大得多。此外，纤维有较高的干湿模量，在干湿态下都具有高拉伸强度和高延伸度。 表2 大腹圆蛛的各种丝与其它纤维的物理性能的比较 2试样 断裂强度) 断裂伸长(%) 断裂比功截面积(um22(cN/mm) (cN/mm) 牵引丝 713.8 37.5 134.8 20.28 框丝 678.6 83.1 258.4 39.59 内层包卵丝 816.0 50.8 311.7 46.98 外层包卵丝 488.4 46.2 178.2 95.80 丝素 565.3 13.7 53.3 67.93 钢丝 2000.0 8.0 0.3 - Kevlar纤维 4000.0 4.0 26.0 - 2、柔韧性 蜘蛛丝很细，其横向压缩能力要比其它纤维差，纤维有很大的各向异性。蜘蛛丝有很强的扭转性能，其剪切强度比其它纤维(包括Kevlar纤维)要高得多，具有很高的扭转稳定性。 3、弹性 蜘蛛丝具有良好的弹性，当伸长至断裂伸长率的70%时，弹性恢复率仍可高达80%-90%。 4、耐热性 蜘蛛丝有良好的耐高温、低温性能。据报导，蜘蛛丝200?下表现出很好的热稳定性;在300?以上才变黄，并开始分解;在零下40 ?时仍有弹性，只有在更低的温度下才会变硬。在有高温、低温使用需求的场合下，蜘蛛丝纤维的优点非常显著。 (三)化学性能 蜘蛛丝是一种蛋白质纤维，具有独特的溶解性，不溶于水、稀酸和稀碱，但溶于溴化锂、甲酸、浓硫酸等。对蛋白水解酶具有抵抗性，不能被其分解。遇高温加热时可以溶于乙醇。蜘蛛丝所显示的橙黄色遇碱加深，遇酸则褪色。它的微量化学性质与蚕丝相似。蜘蛛的腺液离开身体后马上形成固体，成为一种蛋白质丝，这种蛋白丝不溶于水。蜘蛛丝可以生物降解和回收，不会对环境造成污染。 四 蜘蛛丝纤维的用途 蜘蛛丝纤维属于蛋白质纤维，具有许多其它纤维无法比拟的特性。所以，在很多领域都有广泛的开发应用价值。 (一)军事及民用防护领域 由于蜘蛛丝具备强度高、弹性好、柔软、质轻、断裂功大等优良性能，可以加工成防弹背心和防弹衣，也可以用于制造坦克和飞机的装甲，以及军事建筑物的“防弹衣”等，还可以用于复合材料和结构改性等方面。此外，蜘蛛丝还可以加工成网具、轮胎、防护材料等。 (二)纺织制品 蜘蛛丝弹性好、柔软，穿着舒适，是很好的纺织纤维。利用基因技术将绿色荧光蛋白质与丝蛋白分子相融合生产出荧光丝，可与普通丝交织制成织物如服装、围巾、帽子等，在紫色、蓝色灯光下会发出荧光图案，成为全球时装展示会上最时尚的纺织面料。 (三)航天航空领域 蜘蛛丝的强度高，韧性大，有一定的热稳定性，可用于做降落伞布、降落伞 索，这种降落伞重量轻、防缠绕、展开力强大、抗风性能佳，坚牢耐用。蜘蛛丝还可用于织造太空服等高强度面料。 (四)医学领域 蜘蛛丝的优越性还在于它是天然的蛋白质纤维，与人体有很好的相容性。目前尚未发现人体对蜘蛛丝所含的蛋白质有任何排异反应，因而可以通过转基因技术制成伤口封闭材料和生理组织工程材料，如人工关节、韧带、人类使用的假肢、人造肌腱、组织修复、神经外科及眼科等手术的超细伤口缝线等产品，具有韧性好、可降解等特性。 1、人造皮肤:蜘蛛丝纤维的通透性与天然皮肤非常接近，具有比较发达的伸展性，非常适合未来的人造皮肤的要求。 2、人工肌腱:将磷酸等嵌入丝以后，丝纤维可以吸附到骨骼的晶体外层，而蜘蛛丝的高强度、良好的柔韧性以及可塑性，使其成为替代肌腱的理想材料。 3、缝合线:蜘蛛丝用作缝合线可使手术更精细，修复更完整，术后通过一定的方法使其降解并被人体吸收，无须再进行一次痛苦的拆线。 4、人体角膜:蜘蛛丝蛋白透明，可润湿，具有通透性，有可能利用它对人体角膜进行更换，以及利用其强弹性来调节眼睛，从而缓解或彻底解决近视对人类的困扰。 五) 建筑领域 ( 可用做结构材料和复合材料，应用于桥梁、高层建筑和民用建筑等，起增强作用。可以代替混凝土中的钢筋，用于减轻建筑物自身的重量。 五 蜘蛛丝的生产方法 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。 (一)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。 (二)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。 (三)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。 (四)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。 六 蜘蛛丝纤维的研究现状 蜘蛛丝的研究目前还处于初级阶段，距离规模化的生产还有一段时间，对其 纺丝装置的成功研制也是能否规模化生产的关键;另外如何将它制成织物也是一个难题。虽然蜘蛛丝的氨基酸组成和基本力学性能已有较系统的研究，但蜘蛛丝的特殊力学性能的形成机理和丝的微观结构等还有待于做深入的研究。 现在国内外对蜘蛛丝的研究主要集中在两个方面:首先是对蜘蛛丝的内在结构的研究，特别是研究和分析了产生蜘蛛丝优异力学性能的机理;其次是人工合成蜘蛛丝的新方法研究。 七 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。