納米氧化石墨烯添食育蠶制備高強度蠶絲

詹 琦，蔡凌月，范蘇娜，邵惠麗，張耀鵬

(纖維材料改性國家重點實驗室，東華大學材料科學與工程學院，上海 201620)

蠶絲是一種功能性蛋白質纖維，具有優異的機械性能、良好的生物相容性和生物可降解性，已被廣泛用于生物傳感器、生物醫用材料和智能設備等領域[1-3]。為了擴展蠶絲的應用，研究者已經通過各種不同的方法對蠶絲進行改性，賦予其新的功能。其中，基因工程法是通過改變家蠶的基因序列來達到改性目的[4]，但高成本、低效率限制了其深入發展。后處理法則是通過物理吸附或化學結合將有機染料或無機納米粒子引入到蠶絲表面[5]，但是環境污染、制備復雜和粘合穩定性等問題亟待解決。而添食育蠶法操作簡單、綠色環保且工業化前景廣闊[6]。氧化石墨烯(graphene oxide，GO)表面含有豐富的極性基團，如羥基、羧基、羰基等，能與絲素分子形成強氫鍵從而起到增強作用[7]。同時，GO還具有優異的潤濕性、較高的比表面積、最小的電阻率、較好的力學性能，有望賦予蠶絲優異性能[8]。本文采用添食育蠶法，向五齡期家蠶喂食納米GO改性的人工飼料制備高強度蠶絲。

1 試 驗

1.1 原料

家蠶人工飼料，山東蠶業研究所煙臺綠寶蠶用飼料廠；蠶卵，廣西蠶業研究所；去離子水，自制；碳酸鈉，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；GO，濃度為0.5 mg/mL的懸浮液，單層，平均粒徑515 nm，常州第六元素材料科技股份有限公司。

1.2 設備

掃描電子顯微鏡，JEM-5600LV型，日本JEOL電子株式會社；傅里葉變換紅外光譜儀，Nexus670型，美國Nicolet公司；X射線衍射微聚焦線站，BL15U1型，上海同步輻射光源；熒光/偏光顯微鏡，BX-51 型，日本奧林巴斯株式會社；材料試驗機，Instron-5565型，美國英斯特朗公司。

1.3 家蠶人工飼料的制備

普通飼料的制備：飼料干粉與去離子水按1∶2的質量比混合并充分攪拌，放置微波爐中加熱8 min，糊狀熟制飼料取出后用保鮮膜包裹壓制為厚度為3 mm左右的軟片，然后切為寬度為1 cm的長方形軟條。

GO改性飼料的制備：GO與飼料干粉先按0.05‰、0.1‰、0.25‰、0.5‰的質量比混合，后續過程與普通飼料制備過程相同。喂食不同含量GO改性飼料所得對應家蠶分別命名為Control家蠶、0.05‰家蠶、0.1‰家蠶、0.25‰家蠶、0.5‰家蠶。喂食不同含量GO改性飼料所得對應脫膠蠶絲分別命名為Control、GO-0.05‰、GO-0.1‰、GO-0.25‰、GO-0.5‰。

1.4 家蠶飼養

家蠶一齡至四齡期間均在(23±2)℃、(75±10)%的相對濕度環境下喂食普通飼料。五齡第一天，將家蠶平均分為5組，對照組喂食普通飼料，實驗組分別喂食不同濃度的GO改性飼料。

1.5 蠶絲脫膠

將已剝成片狀的蠶繭在質量分數0.5%碳酸鈉溶液中煮沸30 min，而后將蠶絲取出搓洗至無絲滑感。重復以上步驟一次，將脫膠絲風干24 h，收集備用。

1.6 性能表征

脫膠絲掃描電子顯微鏡(SEM)測試：脫膠絲進行預噴金處理，然后采用掃描電子顯微鏡觀察脫膠絲的表面形貌，樣品在10 kV電子加速電壓下進行拍攝。

脫膠絲的紅外光譜(FTIR)測試：采用衰減全反射(ATR)傅里葉變換紅外光譜儀對脫膠絲進行測試，采用ATR附件。使用PeakFit(V4.12)軟件對紅外光譜的酰胺I區進行分峰擬合，并計算脫膠絲的無規卷曲/α-螺旋、β-折疊、β-轉角含量。

脫膠絲的結晶結構表征：廣角X射線衍射(WAXD)在上海同步輻射光源的X射線衍射微聚焦線站(BL15U1)測試。能量為16 keV，光斑大小為3 μm×2 μm，X射線波長為0.774 6 nm，曝光時間為30 s，樣品到探測器的距離為195 mm。

脫膠絲的力學性能表征：采用熒光/偏光顯微鏡拍攝脫膠絲照片，每根脫膠絲隨機取5個點計算平均直徑。采用材料試驗機對脫膠絲進行力學性能測試，測試拉伸速率為2 mm/min，夾具距離為15 mm，測試溫度為(20±1)℃，相對濕度(40±5)%。每個樣品測試(20±5)根脫膠絲。

2 結果與討論

2.1 GO的添食對家蠶生長、蠶繭和脫膠絲形貌的影響

圖1為添食不同濃度GO的五齡家蠶和蠶繭的照片以及相應脫膠絲的SEM圖。

由圖可知，實驗組與對照組相比，家蠶的外觀一致、顏色大小均一，所得蠶繭宏觀及細節上也無顯著的物理差異。表明GO的添食對家蠶正常生長以及蠶繭外觀基本沒有影響。由SEM圖可知，對照組與實驗組脫膠絲表面均非常光滑，形貌及直徑基本一致，表明GO的添食對蠶絲的表面形貌也無明顯影響。飼養過程中，全部家蠶均健康生長，未出現發育遲緩或死亡個體，表明GO的添食不會影響家蠶正常生長及紡絲行為。

圖1 添食不同濃度GO的五齡家蠶和蠶繭的照片以及相應脫膠絲的SEM圖(a) 五齡熟蠶、蠶繭照片及脫膠絲SEM圖，(b) 蠶繭的光學照片

2.2 GO的添食對蠶絲二級結構的影響

表1為脫膠絲紅外光譜在酰胺I區(1 580～1 720 cm-1)分峰擬合[9]得到的二級結構含量。

表1 脫膠絲二級結構含量

由表可知，實驗組脫膠絲的無規卷曲/α-螺旋構象含量高于對照組，β-折疊構象含量低于對照組。隨著GO添食濃度的增大，脫膠絲的β-折疊構象含量逐漸降低，無規卷曲/α-螺旋構象含量變化則呈現相反的趨勢。β-轉角構象含量變化無明顯規律。以上結果表明，GO的添食阻礙了絲素蛋白無規卷曲/α-螺旋構象向β-折疊構象的轉變，其原因可能在于GO表面大量的極性基團如羧基、羥基等與絲素蛋白形成了氫鍵，從而限制了分子鏈運動及重排。

2.3 GO的添食對蠶絲結晶結構及中間相結構的影響

WAXD常用于研究脫膠絲的晶體結構和結晶取向[10]。表2為對一維WAXD曲線進行分峰擬合得到的脫膠絲的赫爾曼取向因子、晶區結構參數、中間相結構參數。

表2 脫膠絲赫爾曼取向因子、晶區結構參數及中間相結構參數

由表可知，與對照組脫膠絲相比，隨著GO添食濃度的增加，實驗組脫膠絲的結晶度逐漸降低，中間相含量逐漸增加，這與FTIR光譜所得二級結構含量變化一致。實驗組脫膠絲在鏈間(對應(200)晶面)方向上的晶粒尺寸先增大后減小，在片層間(對應(020)晶面)方向上的晶粒尺寸逐漸增大，在纖維軸(對應(002)晶面)方向上晶粒尺寸變化無明顯規律。蠶絲晶體結構可以被近似看做立方晶系，其晶粒尺寸的計算公式為L(200)×L(020) ×L(002)[11]，計算結果表明實驗組脫膠絲晶粒尺寸隨著GO含量的增加而減小。實驗組與對照組的晶區取向和中間相取向無顯著區別。原因在于GO表面豐富的極性基團易與絲素蛋白發生作用形成氫鍵，從而限制了蛋白質分子鏈的自由運動，起到了限制結晶的作用，因此經GO的改性脫膠絲形成了晶粒尺寸小、結晶度低的結構。

2.4 GO的添食對蠶絲力學性能的影響

圖2為脫膠絲的應力-應變曲線。

圖2 脫膠絲的應力-應變曲線

由圖可知，GO的添食對脫膠絲力學性能產生了一定影響。與對照組脫膠絲相比，GO-0.05‰和GO-0.1‰組脫膠絲力學性能無明顯變化；而GO-0.25‰和GO-0.5‰組脫膠絲斷裂強度有一定提升，斷裂伸長率略微降低，當添食濃度為0.5‰時，改性脫膠絲的斷裂強度提升至(508±28)MPa。GO表面豐富的羥基、羧基等極性基團與絲素蛋白分子上的氨基、羧基等相互作用形成氫鍵，加之GO本身的剛度，對纖維的力學性能起到增強作用，同時中間相含量的增加也對力學性能的增強起到一定作用。

3 結 語

a) GO的添食對家蠶正常生長、蠶繭外觀及蠶絲表面形貌無明顯影響。

b) GO的添食會阻礙絲素蛋白由無規卷曲/α-螺旋構象向β-折疊構象的轉變；脫膠絲結晶度及晶粒尺寸隨GO濃度的增加而減小，中間相含量變化呈相反趨勢，晶區取向和中間相取向略微下降。

c) GO的添食能提升脫膠絲的力學性能。當添食濃度為0.5‰時，脫膠絲的斷裂強度提升至(508±28)MPa，斷裂伸長率略微降低。