新型仿生纤维——蜘蛛丝纤维

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1、新型仿生纤维——蜘蛛丝纤维新型仿生纤维——蜘蛛丝纤维新型仿生纤维——蜘蛛丝纤维新型仿生纤维——蜘蛛丝纤维新型仿生纤维——蜘蛛丝纤维新型仿生纤维——蜘蛛丝纤维新型仿生纤维——蜘蛛丝纤维新型仿生纤维——蜘蛛丝纤维新型仿生纤维——蜘蛛丝纤维新型仿生纤维——蜘蛛丝纤维新型仿生纤维——蜘蛛丝纤维新型仿生纤维——蜘蛛丝纤维2005年第6期2005.№.6人造纤维ArtifieialFibre总第190期Sum190新型仿生纤维——蜘蛛丝纤维张金树程博闻康卫民(天津工业大学材料化工学院天津300160)【摘要】蜘蛛丝是已

2、知强度最高的材料之一,近年来对其结构和性能已经有了比较系统的研究.本文分析了蜘蛛丝的组成结构,物理和化学性能,介绍了国内外利用生物技术开发蜘蛛丝的几种途径,并对蜘蛛丝的应用前景做了展望.关键词蜘蛛丝结构性能应用1前言蜘蛛在自然界己存在4亿多年,地球上会吐丝结网的蜘蛛有2万多种,而能引起科学家兴趣的只有为数不多的几种.大多数蜘蛛生活在热带地区,难以饲养,有的只能产出少量具有使用价值的丝,并且蜘蛛是肉食动物,不喜欢群居,相互之间残杀,规模化饲养几乎不可能.经过近几十年来的研究,科学家们发现,蜘蛛丝由蛋白质组成,

3、属于蛋白质纤维,是一种可生物降解且无污染的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.目前许多国家的科学家对蜘蛛丝的化学组成,结构以及蜘蛛丝蛋白基因组成正进行深人地研究,以期研制出人造蜘蛛丝.本文将介绍蜘蛛丝的组成结构和性能及其研究状况.2蜘蛛丝的组成与结构蜘蛛丝的主要成分是蛋白质,基本组成单元为氨基酸,不同蜘蛛丝所含的氨基酸种类差【22】异不大,为17种左右,

4、各种氨基酸的含量也因蜘蛛的种类不同而有一定的差异.蜘蛛丝中较多的7种氨基酸含量占其总量的90%,它们分别为甘氨酸(42%),丙氨酸(25%),谷氨酸(10%),亮氨酸(4%),精氨酸(4%),酪氨酸(3%)和丝氨酸(3%).蜘蛛丝是由三组喷嘴喷射而成,这三组喷嘴确保每根丝由两组丝腺组成,中间没有丝胶,经扫描电镜观测蜘蛛丝内部结构透明而无孔隙,横截面接近圆形.每根蜘蛛丝含有数十根细纤维,丝条之间空隙也较小,纵向形态有明显的收缩,丝中央有一道凹缝痕迹.它在水中有较大的溶胀性截面会发生膨胀,而纵向则会发生明显的收

5、缩j.蜘蛛丝横截面内存在不均匀性,纤维的芯层含有微小的伸展状微管,这些微管对蜘蛛丝的力学性能有重要作用.纵向有明显的沟状条纹,其断面内含有大量更细小的微纤维,这说明蜘蛛牵引丝具有原纤化结构.蜘蛛丝具有皮芯层结构,并且皮层比芯层稳定,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.蜘蛛丝存在Ot一螺旋,一折叠和p一平行以及交替出现的晶体区和非晶体区,其中晶体区约占10—15%.通过对蜘蛛丝的分子构象研究表明:蜘蛛丝的分子构象主要为B一第35卷第6期Vol,35.№

6、.6人造纤维ArtificialFibre2005年l2月版December,2005折叠构象,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,形成栅片状的B片层结构并相互重叠在一起构成结晶区,结晶区主要为丙氨酸.栅片间为非结晶区,主要是由大侧基氨基酸组成.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,故蜘蛛丝具有高强度.同时通过对蜘蛛丝的聚集态结构研究,可以认为蜘蛛丝具有的良好弹性主要是非结晶区的贡献.蜘蛛丝

7、结构模型可以这样描述j:由柔韧的蛋白质分子链组成的非晶区,通过一定硬度的棒状微粒晶体所增强,这些晶体由具疏水性的聚丙氨酸排列成氢键连接的B一折叠片层,折叠片层中分子相互平行排列.另一方面,甘氨酸富集的聚肽链组成了蜘蛛丝蛋白无定形区,无定形区内的聚肽链间通过氢键交联,组成了似橡胶分子的网状结构.3蜘蛛丝的物理和化学性能蜘蛛丝的颜色呈金黄色,透明状,光滑闪亮,丝的平均直径为6.9txm,物理密度为1.13一l_29g/em.,耐紫外线性能强而且较耐高温和低温.热分析表明,蜘蛛丝在20o℃以下热稳定性良好,300

8、%以上才黄变,零下40%时仍有弹性,只有在更低的温度下才变硬.在机械性能方面(如表1),蜘蛛牵引丝的强度与钢相近,虽低于Kevlar,但明显高于蚕丝,橡胶及合成纤维,伸长率则与蚕丝及合成纤维相似,远高于钢及Kevlar,尤其是其断裂能最大,是Kevlar_的3倍之多,因而其韧性很好,再加上其初始模量大,质地最轻,所以是一种非常优异的材料.蜘蛛丝的机械性能受温度,含水量等的影响,干丝较脆,当拉伸超过其长度的30%就