人發角蛋白納米纖維成紗技術初探

王怡婷，黃潤哲，胡佳媛，湯美晶，覃 月，方 莉，李麗芳，詹建朝

(嘉興學院，浙江 嘉興 314001)

人發角蛋白納米纖維成紗技術初探

王怡婷，黃潤哲，胡佳媛，湯美晶，覃 月，方 莉，李麗芳，詹建朝*

(嘉興學院，浙江 嘉興 314001)

從人發中提取角蛋白，用共軛靜電紡納米纖維水浴成紗技術制備連續納米纖維紗，研究了正負針頭的相對位置對納米纖維成紗結構的影響。研究結果表明：靜電紡角蛋白納米纖維粗細均勻、成型良好。正負針頭與導引紗平行排列，距離超過9cm時所紡納米纖維紗與導引紗平行排列；距離小于2cm時所紡納米纖維完全包覆導引紗；正負針頭相對距離15cm時，所紡納米纖維獨立成紗，并纏繞在導引紗上。

靜電紡；納米纖維紗；角蛋白

納米纖維具有比表面積大、尺寸小等優良性能,能滿足多種特殊功能性用途的需要,在電學和光學材料、組織功能性材料、仿生材料、藥物釋放材料、創傷敷料、復合增強材料及過濾材料等領域有著廣闊的應用前景。將納米纖維加工成納米纖維紗,可織造出多種實物形狀,既能拓展納米纖維材料的應用領域，又進一步提高了其實用價值，加快商業化進程。因此靜電紡納米纖維的成紗技術已成為研究熱點，除了Chang[1]通過旋轉噴絲裝置使噴出的納米纖維直接加捻成紗外，目前靜電紡納米纖維成紗的主流技術集中在加捻裝置的改進上。固體加捻裝置主要有金屬螺旋圓環[2]、金屬圓筒[3]、輥筒[4]、旋轉的輥筒[5-6]、金屬圓盤[7-9]；液體接收加捻裝置主要有靜態水浴[10-12]和帶有漩渦的動態水浴[13-14]；氣體加捻裝置主要是噴氣渦流[15]。這些成紗裝置或技術雖可制備一定長度的納米纖維紗，大多因纖維強力小、取向低、捻度低等導致紗線易斷頭、成紗時間短，所采用的材料主要有聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚醋酸乙烯脂等合成聚合物，天然的生物質納米纖維成紗技術鮮有報道。本文以人發角蛋白為原料，通過共軛紡絲、動態水浴加捻等成紗技術，探討靜電紡人發角蛋白納米纖維成紗的可行性。

1 試驗部分

1.1 材料

尿素(AR)，偏重亞硫酸鈉(AR)，十二烷基硫酸鈉(SDS，AR)，聚環氧乙烷50KDa，甲酸(AR)，聚乳酸羥基乙酸(PLGA，分子量6萬)，去離子水(自制)，六氟異丙醇，人頭發(理發店收集)。

1.2 主要試驗裝置

靜電紡納米纖維水浴成紗裝置(自制)，如圖1所示，帶有相反電荷的靜電紡納米纖維在芯紗表面沉積，在水浴渦流作用下加捻成紗。

1.3 試驗步驟

1.3.1 人發角蛋白的提取

把人發洗凈、烘干、剪碎，按照浴比為1∶30的比例置入90 ℃的堿液(尿素40%、SDS1%、偏重亞硫酸鈉5%)中反應4h后過濾，得到角蛋白溶液；將角蛋白溶液置入透析袋(截留分子量為10 000～14 000D)中透析2周(每12h換一次水)后，對透析袋中的角蛋白溶液進行冷凍干燥48h后得到人發角蛋白粉。

1.3.2 人發角蛋白納米纖維紗的紡制

分別稱取1g人發角蛋白和0.3g的PLGA加入到盛有10ml六氟異丙醇的樣品瓶中，磁力攪拌8h后得到紡絲液。在紡絲電壓為13kv、紡絲速度為0.08mm/min、接收距離為20cm等靜電紡絲條件下，采用自制水浴成紗裝置(如圖1所示)進行靜電紡納米纖維成紗技術的試驗。

2 結果與討論

2.1 人發角蛋白的形態結構及紅外光譜

人發蛋白外觀形態如圖2(a)所示，呈松散的棕灰色粉末。對人發蛋白進行傅立葉紅外光譜分析，如圖2(b)所示。從圖2可以看出，人發角蛋白具有酰胺I帶(1 649cm-1，C=O、N-H伸縮振動)、酰胺II(1 540cm-1，N-H變形振動或CN振動)和酰胺III(1 201cm-1，N-H或C-N振動)三個特征吸收帶和酰胺A帶(3 270cm-1，N-H振動)。

圖1 自制靜電紡納米纖維動態水浴成紗裝置

圖2 人發角蛋白納及其紅外光譜圖

2.2 靜電紡人發角蛋白納米纖維形態結構

圖3(a)為靜電紡人發角蛋白納米纖維掃描電圖，可以看出所紡纖維表面光滑，沒有串珠，纖維連續而且比較均勻。從圖3(b)中可看出纖維平均直徑為539nm，方差為169nm。

2.3 納米纖維紗

7.學生在文化的思想認知上存在缺陷。部分學生追求享樂主義，注重自我感受，用西方文化來裝扮自己，把其作為一種風尚，影響了本土文化發展，道德責任和價值觀出現了扭曲，中華民族的價值觀體系的建立和發展受到了阻礙。

2.3.1 并列型

兩噴絲針頭(平行距離較遠，超過9cm)和導引紗平行排列，垂直噴向水面，如圖4(a)所示。圖4(b)顯示，納米纖維紗獨立成紗，與引紗平行排列。原因可能是所紡納米纖維因帶異種電荷相互吸引而糾纏在一起，在水浴渦流的作用下進行加捻而成紗。因部分纖維纏繞在引紗上，納米纖維紗隨引紗卷繞在滾筒上。

2.3.2 纏繞型

兩噴絲針頭相對放置(針頭間的距離15cm)，向導引紗噴絲，如圖5(a)所示，納米纖維紗纏繞在導引紗上。帶異種電荷的納米纖維相互吸引并在重力的作用下沉積在水浴中，并在動態水浴中旋轉加捻纏繞在導引紗上，如圖5(b)、(c)所示。

(a)SEM圖

(b)直徑分布圖圖3 靜電紡人發角蛋白納米纖維

(a)成紗示意圖 (b)并列型納米纖維紗圖4 納米纖維

(a)納米纖維紗顯微圖 (b) 光學顯微圖 (c)納米纖維紗 圖5 納米纖維紗成紗示意圖

2.3.3 完全包覆型

圖6 完全包覆納米纖維紗成紗示意圖

3 結論

從廢棄人發中提取角蛋白，并借助于自制水浴成紗裝置嘗試紡制出角蛋白納米纖維紗，實驗結果表明：

(1)人發角蛋白納米纖維粗細均勻，成型良好；

(2)兩噴絲針頭與導引紗平行排列，距離超過9cm，所紡納米纖維紗與導紗平行排列；

(3)兩噴絲針頭與導引紗平行排列，距離小于2cm時，所紡納米纖維完全包覆導紗；

(4)兩噴絲針頭相對放置，針頭間的距離15cm時，所紡納米纖維紗纏繞在導紗上。

人發角蛋白納米纖維紗的成功開發，既實現了廢舊毛發的再利用，又為納米纖維紡織品的開發提供了實驗支持。

[1]GuoqingChang,AikeLi,XiaoqianXu,etal.Twistedpolymermicrofiber/Nanofiberyarnspreparedviadirectfabrication[J].EngineerChemistryResearch, 2016, 55:7 048-7 051.

[2]JungHunLee,DongWookShin,KiBongNametal.ContinuousbundlesofalignedelectrospunPANnanofiberusingelectrostaticspiralcollectorandconvergingcoil[J].Polymer,2016,(84): 52-58.

[3]ChingIuanSu,TingChangLai,ChingHsiangLu,etal.Yarnformationofnanofiberspreparedusingelectrospinning[J].FibersandPolymers, 2013,14(4):542-549.

[4]FarnazMemarian,MasoudLatifi,MohammadAmani-Tehran.InnovativemethodforelectrospinningofcontinuousTiO2nanofiberyarns:Importanceofauxiliarypolymerandsolventselection[J].JournalofIndustrialandEngineeringChemistry,2014,(20):1 886-1 891.

[5]ElahehDaneshvar,MohammadAmaniTehran,SaeidehGorjiKandi,etal.Investigatingthecharacteristicsoftwodifferentmethodsinnanoberyarncoloration[J].TheJournalofTheTextileInstitute, 2016, 107(7): 833-841.

[6]FHajiani,AAGhareaghaji,AliAAJeddi,etal.Propertiesofpolyamide66twistednanofiberyarnbytracingthecoloralterationinyarnstructure[J].FibersandPolymers,2014, 15(9): 1 966-1 976.

[7]UsmanAli,HaitaoNiu,AmirAbbas,etal.Onlinestretchingofdirectlyelectrospunnanofiberyarns[J].RSCAdvances, 2016,(6): 30 564-30 569

[8]ShaohuaWu,BinDuan,PenghongLiu,etal.Fabricationofalignednanoberpolymeryarnnetworksforanisotropicsofttissuescaffolds[J].ACSAppliedMaterials&Interfaces, 2016, (8): 16 950-16 960.

[9]ShaoHuaWu,XiaoHongQin.Uniaxiallyalignedpolyacrylonitrilenanoberyarnspreparedbyanovelmodiedelectrospinningmethod[J].MaterialsLetters,2013,(106):204-207.

[10]EugeneSmit,UlrichButtner,RonaldDSanderson.Continuousyarnsfromelectrospunfibers[J].Polymer, 2005, (46):2 419-2 423.

[11]劉 洋.PA6/MWNTs復合納米纖維紗連續靜電紡絲的研究[D].蘇州:蘇州大學,2011.

[12]劉紅波, 潘志娟, 王建民.靜電法紡制尼龍6/66納米纖維紗[J].蘇州大學學報(工科版),2007, 27(2):36-39.

[13]Wee-EongTeo,RenugaGopal.Adynamicliquidsupportsystemforcontinuouselectrospunyamfabrication[J].Polymer, 2007，(48):3 400-3 405.

[14]吳清鮮. 靜電紡絲法制備聚丙烯腈基納米纖維紗及其預氧化[D].天津:天津工業大學, 2015.

[15]JianxinHe,KunQi,LidanWang,etal.Combinedapplicationofmultinozzleair-jetelectrospinningandairflowtwistingfortheefficientpreparationofcontinuoustwistednanofiberyarn[J].FibersandPolymers, 2015, 16(6):1 319-1 326.

Study on the Nanofiber Yarn Technology of Human Hair Keratin

WANG Yi-ting，HUANG Run-ze，HU Jia-yuan，TANG Mei-jing，QIN Yue，FANG Li，LI Li-fang, ZHAN Jian-chao*

(Jiaxing University, Jiaxing 314001,China)

Keratin was extracted from human hair and continuous nanofiber yarns were prepared by the device of the conjugate electrospinning nanofiber．The effects of the relative position of positive and negative needle on the structure of nanofiber yarns were studied．The research results showed that keratin nanofibers had uniform diameter and good form. The positive and negative needles were arranged in parallel with the distance of more than 9 cm, and the nanofiber yarn and the guiding yarn were arranged in parallel. The distance less than 2 cm, the guide yarn was fully coated by electrospinning nanofibers. When the relative distance between the positive and negative needles was 15 cm, the nanofibers yarn was twisted from the nanofibers and winds round the guide yarn.

electrospinning; nanofiber yarn; keratin

2016-11-06；

2016-11-10

2016年浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃資助項目(2016R417040)

王怡婷(1994-)，女，本科學生，主要研究方向為納米纖維成紗技術。

*通信作者：詹建朝(1981-)，講師，主要研究方向為靜電紡納米纖維成紗技術，E-mail：178808380@qq.com。

TS

A

1673-0356(2017)01-0021-03