微流控干纺及再生丝素纤维的表征
Summary
提出了一种微流体纺丝的协议, 并给出了再生丝素丝的显微组织表征。
Abstract
该协议展示了一种仿蚕纺纱过程的方法。在本机纺纱过程中, 收缩纺丝管使蚕丝蛋白具有紧凑和有序的剪切和伸长力。在此, 设计了一种仿生微流控通道, 模拟了蚕纺管的特定几何形状。以高浓度掺杂的再生蚕丝丝素 (RSF) 为原料, 在室温和压力下通过微通道向干纺纤维挤出。在 post-treated 过程中, 在乙醇水溶液中提取和贮存成纱纤维。采用同步辐射 wide-angle x 射线衍射 (SR WAXD) 技术对单 RSF 纤维的显微组织进行了研究, 并将其固定在与 X 射线微的 RSF 纤维轴垂直的试样持有者身上。从 WAXD 数据计算了纤维的结晶度、晶粒尺寸和晶体取向。two-dimensional WAXD 模式赤道附近的衍射弧表明, post-treated RSF 纤维具有很高的取向度。
Introduction
在环境温度和压力下, 蜘蛛和蚕可以从水蛋白溶液中生产出优异的蚕丝纤维。剪切和伸展流动可诱导丝腺中的液晶纹理的形成1。近年来, 为了生产高强度的人造纤维, 模拟蜘蛛的纺丝工艺有着很大的兴趣。然而, 大量的蜘蛛丝蛋白不能生产效率和经济的养殖蜘蛛由于食人。大量的蚕丝绸可以通过耕作容易获得。否则, 蚕和蜘蛛有类似的纺纱工艺和氨基酸组成。因此, 蚕丝丝素被许多研究者选为人工动物丝的替代品。
蜘蛛和蚕通过他们的旋转导管挤出蛋白质溶液到空气中的纤维。沿着纺丝管道产生的高应力力很可能将丝素分子拉伸到更长的构象2。采用传统的湿纺和干纺工艺纺制了人造蚕丝纤维,3,4, 不考虑纺丝管产生的流体力。
首先, 采用微流控方法对蚕丝蛋白的组装进行了研究5,6。然后, 通过对剪切和伸展力的建模, 研究了 RSF 的微流体制备7,8。RSF 纤维的杨氏模量和直径可通过微流控湿纺纱进行调谐, 但拉伸纤维的抗拉强度小于100兆帕斯卡7。最后, 用微流控干纺法成功地制备了高强度 RSF 纤维, 但其直径仅2µm8。近年来, 微流控湿纺在高强度重组蜘蛛丝纤维生产中得到了成功的应用。空气中的 post-spinning 图改善了人造纤维的表面和内部缺陷9。
本文介绍了改进的微流控纺丝工艺在 RSF 光纤中的应用。它的目的是模仿蚕丝的纺纱过程, 包括纺纱涂料, 剪切力, 和干纺工艺。这种纺纱方法不仅可以生产高强度的人造蚕丝纤维, 而且可以调节纤维的直径。首先, 在具有二阶指数衰减的仿生通道中, RSF 纺涂料被剪切和拉长。其次, 研究了微流控干法纺丝过程中相对湿度 (RH) 对纤维形貌和性能的影响10。与传统的纺丝喷相比, 我们的微流控系统具有高度的仿生性, 可以用干湿纺法在室温下从溶液中产生高强度纤维。
由于同步辐射微 X 射线的高分辨率、亮度和高能性, 可以用来表征单个纤维的显微结构, 其直径为数微米4,11,12,13,14. 用 SR WAXD 技术计算了 RSF 纤维的结晶度、晶粒尺寸和晶体取向。
Protocol
Representative Results
Discussion
在 RSF 溶液的透析过程中, pH 值对以下浓度过程至关重要。如果去离子水的 pH 值小于 6, RSF 溶液在浓缩过程中会更容易凝胶。为了避免凝胶, CaCl2被添加到 RSF 解决方案中。CaCl2的浓度是每重量 RSF 的1摩尔。
我们以前的工作证明了微流控 RSF 水溶液干纺的可能性8。微流控通道的几何形状是一个简化的单级指数函数。对于蜘蛛和蚕, 纺纱兴奋剂是?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作由中国国家自然科学基金 (21674018)、中国国家重点研究开发项目 (2016YFA0201702/2016YFA0201700) 和上海教育发展支持的 “曙光计划” 赞助。基金会和上海市教育委员会 (15SG30), 东华大学杰出青年教授项目 (A201302), 为中央大学的基础研究基金, 和111项目 (no. 111-2-04)。
Materials
| B. mori Cocoons | Farmer in Tongxiang, Zhejiang Province, China | ||
| Sodium carbonate, anhydrous, 99.8% | Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co., Ltd., China | Analytically Pure | |
| Lithium bromide, 99.1% | Shanghai China Lithium Industrial Co., Ltd., China | Analytically Pure | |
| Calcium chloride, anhydrous, 96.0% | Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co., Ltd., China | Analytically Pure | |
| Ethanol, anhydrous, 99.7% | Sinopharm Group Chemical Reagent Co.,Ltd., China | 10009218 | Analytically Pure |
| SU-8 photoresist | MicroChem Corp., USA | ||
| Developing solution | MicroChem Corp., USA | ||
| Sylgard 184 | Dow Corning, USA | ||
| Isopropanol | Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co., Ltd., China | Analytically Pure | |
| Concentrated sulfuric acid | Pinghu Chemical Reagent Factory, China | Analytically Pure | |
| 30 vol% hydrogen peroxide | Shanghai Jinlu Chemical reagent Co., Ltd., China | Analytically Pure | |
| Acetone | Shanghai Zhengxing Chemical Reagent Factory, China | Analytically Pure | |
| Oxygen plasma treatment | DT-01, Suzhou Omega Machinery Electronic Technology Co., Ltd., China | ||
| Syringe pump | KD Scientific, USA | KDS 200P | |
| Humidifier | SEN electric | ||
| Driller | Hangzhou Bo Yang Machinery Co., Ltd., China | bench drilling machine Z406c | |
| Material testing system | Instron, USA | Model: 5565 | |
| PeakFit | Systat Software, Inc., USA | Version 4.12 |
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