角蛋白/多壁碳纳米管复合纤维的制备

赵明宇， 刘海辉， 王学晨， 张兴祥

(1. 天津工业大学 省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室， 天津 300387；2. 天津工业大学 天津市先进纤维与储能技术重点实验室， 天津 300387；3. 天津工业大学 材料科学与工程学院， 天津 300387)

角蛋白/多壁碳纳米管复合纤维的制备

赵明宇1,2,3， 刘海辉1,2,3， 王学晨1,2,3， 张兴祥1,2,3

(1. 天津工业大学 省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室， 天津 300387；2. 天津工业大学 天津市先进纤维与储能技术重点实验室， 天津 300387；3. 天津工业大学 材料科学与工程学院， 天津 300387)

为促进废旧羊毛的回收利用，采用L-半胱氨酸还原法溶解羊毛提取角蛋白，将羊毛再生角蛋白溶于碳酸钠/碳酸氢钠缓冲溶液中配制成纺丝液，并且向其中添加经傅克反应处理的功能化多壁碳纳米管，通过湿法纺丝制备再生角蛋白/功能化碳纳米管复合纤维。研究结果表明：碳纳米管均匀的分散在复合纤维中，没有发生团聚现象，并且与角蛋白基体有着良好的界面作用；碳纳米管加入对纤维的结晶度有所提高，并且能够诱导角蛋白内部形成较多的β-折叠的二级结构构象；随着碳纳米管的加入，复合纤维的拉伸断裂强度增加，当碳纳米管质量分数为0.15%时，拉伸断裂强度达到最大(91.5±12.6)MPa，比纯角蛋白纤维提高了139%。

羊毛角蛋白； 蛋白纤维； 多壁碳纳米管； 傅克反应； 湿法纺丝

我国作为世界上第2大羊毛生产国，羊毛产量日益增长，每年都有大量的劣质粗毛和废旧羊毛制品被废弃[1]。羊毛中80%以上的物质是角蛋白，角蛋白作为一种生物材料具有良好的生物相容性及可降解性，吸引了国内外研究者的关注。羊毛角蛋白的相对分子质量大于100 000，可作为一种良好的生物纺丝材料[2]。目前国内外关于溶解羊毛提取角蛋白的方法很多，主要有还原法[1]、氧化法[3]、离子液体法[4]等，但这些方法由于提取过程复杂，后处理需要进行透析，使得整个流程耗时较长，不易快速有效地从羊毛中提取角蛋白。因此如何高效、快速地溶解羊毛提取角蛋白是对废弃羊毛再生利用的关键。碳纳米管(CNTs)作为1种一维材料有着优异的力学性能，可以用作制备高性能复合材料的增强填料[5-6]，但由于CNTs长径比较大，表面存在π-π共轭吸引等原因，使其在基体中极易团聚，造成增强效果达不到预期的效果。对CNTs进行改性可以改善其分散性能，达到良好的增强效果。传统的酸化处理会对CNTs结构造成破坏，使得其性能减弱， 而在多聚磷酸(PPA)/五氧化二磷(P2O5)弱酸体系下，通过傅克反应(Friedel-Crafts reaction)对碳纳米管进行无损化改性[7-8]，在其表面接枝芳香氨基基团，达到均匀分散的目的。本文采用L-半胱氨酸还原法溶解羊毛提取角蛋白[9-10]，此过程操作简便且后处理不需透析过程，大大增加了提取效率。将再生羊毛角蛋白溶解在缓冲溶液中配制成纺丝液，加入不同含量傅克反应功能化后的多壁碳纳米管，再采用湿法纺丝技术制备复合纤维，研究了功能性的壁碳纳米管(F-MWCNTs)对再生角蛋白/F-MWCNTs复合纤维的结构和性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料

羊毛(产地为新西兰)；多壁碳纳米管MWCNTs，长度为30～50 μm，直径为8～15 nm，中国科学院成都有机化学研究所)；尿素(CO(NH2)2)、十二烷基硫酸钠(SDS)、多聚磷酸(PPA)、五氧化二磷(P2O5)、对氨基苯甲酸(C7H7NO2)：分析纯，天津市光复科技发展有限公司；L-半胱氨酸(C3H7NO2S)：分析纯，阿拉丁试剂有限公司；氢氧化钠(NaOH)、碳酸钠(Na2CO3)、碳酸氢钠(NaHCO3)、乙醇(C2H5OH)、乙酸(CH3COOH)、盐酸(HCl)、硫酸钠(Na2SO4)：分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司。

1.2 实验过程

1.2.1 羊毛角蛋白的提取

将羊毛洗净，干燥后剪碎至长度约0.5 cm。取羊毛(10.0 g)、8 mol/L的尿素溶液(200 mL)、L-半胱氨酸(1 g)置于500 mL的三口烧瓶中，用NaOH溶液调节pH值至11，70 ℃下机械搅拌反应24 h，将所得产物进行离心分离取上层清液，使用1 mol/L的Na2SO4/HCl溶液调节清液pH值至4，析出乳白色角蛋白，将角蛋白进行抽滤洗涤，50 ℃下干燥即得角蛋白。

1.2.2 功能化多壁碳纳米管的制备

根据本课题组之前的工作[7]，采用傅克反应制备F-MWCNTs。首先，取MWCNTs(1 g)、对氨基苯甲酸(1 g)、多聚磷酸(40 g)置于250 mL的三口烧瓶中，升温至130 ℃下机械搅拌3 h，加入五氧化二磷(10 g)，保持130 ℃、连续反应72 h，氮气保护。所得产物用蒸馏水和氨水反复洗涤过滤，并且对产物用蒸馏水和无水甲醇索氏提取各3 d，以除去多余的反应物及杂质，然后真空干燥即得F-MWCNTs。

1.2.3 角蛋白/碳纳米管复合纤维的制备

将F-MWCNTs加入到pH值为9.5，浓度为0.3 mol/L的碳酸钠/碳酸氢钠缓冲溶液中进行超声1 h，使CNTs在溶液中均匀分散，随后加入角蛋白使其成为浓度为20%的纺丝液并加入角蛋白质量分数为10%的SDS，调节F-MWCNTs的含量使得CNTs在角蛋白中的质量分数为0.05%、0.10%、0.15%和0.20%。将纺丝液静置24 h使角蛋白完全溶解，随后加热至90 ℃持续1 h。采用自制的湿法纺丝装置进行复合纤维的制备，配制10%的乙酸/乙醇溶液作为凝固浴，凝固浴槽长度为1 m，喷丝头直径为0.13 mm，纺丝速度为0.3 m/min，卷绕速度为3 m/min。将纺出的复合纤维经水洗祛除盐和溶剂。

1.3 性能表征

1.3.1 角蛋白/F-MWCNTs复合纤维的形貌

采用日本Hitachi S-4800扫描电子显微镜对纤维形貌进行分析，纤维的断面通过液氮淬断，测试前将纤维进行喷金处理，喷金厚度在10～20 nm之间。

1.3.2 复合纤维的红外光谱

采用德国Bruker TENSOR37 傅里叶变换红外光谱仪(扫描次数为32次，扫描波数范围为4 000～500 cm-1，光谱分辨率为4 cm-1)测定复合纤维的二级结构，将纤维剪成粉末用KBr压片进行测试。并且采用omnic8和peakfit4.12软件对所得图谱进行分析。对复合纤维的酰胺I带进行傅里叶去卷积和高斯拟合分峰来计算角蛋白二级结构含量。

1.3.3 复合纤维X射线衍射分析

采用日本Rigaku D/MAX-2500 X射线衍射仪对复合纤维进行X射线(XRD)衍射分析测定纤维的结晶度，Cu靶Kα1线，波长为0.154 nm，扫描速率为2 (°)/min，扫描范围在5°～40°之间。

1.3.4 角蛋白/F-MWCNTs复合纤维的力学性能

采用莱州市电子仪器有限公司 LLY-06 电子单纤维强力仪对复合纤维进行拉伸力学性能测试，夹具间距为20 mm，拉伸速率为5 mm/min，每种纤维试样测试10次，并且通过纤维断面的SEM照片得到横截面积，计算拉伸强度。

2 结果与讨论

2.1 复合纤维的形貌分析

图1示出F-WMCNTs质量分数为0.15%的角蛋白/F-MWCNTs复合纤维的SEM照片。由于湿法纺丝过程为凝固浴和纺丝液溶剂的双扩散过程[11]，在此过程中实现角蛋白溶液凝固形成纤维。从图中可以看出，复合纤维表面由于扩散形成褶皱，表面致密；图中左上为复合纤维断面图，可以看出纤维内部致密，无明显的孔洞，纤维直径约为50 μm，且截面形状为圆形，碳纳米管没有在表面或者断面产生明显的缠结，可以证明碳纳米管在纤维中分散较好。

图1 角蛋白/F-MWCNTs复合纤维的表面形貌Fig.1 Morphology of keratin/F-MWCNTs composite fibers

2.2 复合纤维的化学结构分析

傅里叶红外光谱是作为研究蛋白质结构较为普遍的一种方法，通过红外光谱进行去卷积处理与其二阶导数谱、曲线拟合等方法结合可以研究角蛋白的二级结构[12]。羊毛与再生角蛋白的红外光谱如图2所示，角蛋白样品与羊毛都显示出典型的酰胺键特征峰，证明溶解过程并未破坏羊毛结构，提取出的角蛋白保持了较好的肽键结构[10]。

图2 羊毛和再生角蛋白的红外光谱图Fig.2 FT-IR spectra of wool and regenerated keratin

注：a为纯角蛋白纤维；b～e分别为质量分数0.05%、0.10%、0.15%、0.20%的F-MWCNTs复合纤维。图3 角蛋白/F-MWCNTs复合纤维的红外光谱Fig.3 FT-IR spectra of keratin/F-MWCNTs composite fibers

将酰胺I带进行高斯分峰拟合，酰胺I带的牲特征峰归属如下，其中1 660～1 650 cm-1左右为α-螺旋，在1 630～1 620 cm-1左右为β-折叠，1 690～1 670 cm-1左右为无规卷曲。计算角蛋白的二级结构所占比例， 结果见表1。角蛋白中β-折叠结构的含量越多，复合纤维的力学强度更好[13]。在凝固浴中加入乙醇，以及纺丝过程中对纤维进行拉伸，可以诱导角蛋白形成更多的β-折叠组分，进而提高复合纤维的力学性能。纯角蛋白的β-折叠组分质量分数为33.6%，当用角蛋白纺制成纤维时，β-折叠组分仅质量分数增加到35.9%，证明制备纤维过程由于拉伸使得角蛋白由无轨和α-螺旋结构向β-折叠转变。随F-MWCNTs质量分数的增加F-MWCNTs可以诱导形成更多β-折叠的结构，当F-MWCNTs含量为0.15%时，β-折叠结构组分达到最大值为37.2%，复合纤维的力学性能也为最佳值。

表1 角蛋白与不同含量F-MWCNTs的角蛋白/ F-MWCNTs复合纤维高斯拟合酰胺I带的 二级结构比例Tab.1 Secondary structure determined by Gaussian curve fitting in amide I spectral region of composite fibers

2.3 复合纤维的结晶度

为了进一步表征复合纤维的结晶性能，采用X射线衍射进行测试。图4示出纯角蛋白纤维与F-MWCNTs质量分数为0.15%时的角蛋白/F-MWCNTs复合纤维的X射线衍射谱图。纯角蛋白纤维与复合纤维图谱均在9°和20°附近出现典型的角蛋白衍射峰，9° 为α-螺旋结晶与β-折叠结晶的共同衍射峰，20°为α-螺旋衍射峰和β-折叠衍射峰的重叠峰[12]。角蛋白的结晶度可以通过结晶度系数公式来表征[13-14]，经计算图中纯角蛋白的结晶度为28.7%，加入F-MWCNTs后复合纤维的结晶度增加到31.9%，证明F-MWCNTs的加入可以诱导角蛋白结晶，并且提高纤维的力学性能。

图4 角蛋白/F-MWCNTs复合纤维的X射线衍射图Fig.4 X-ray diffraction spectrograms keratin/F-MWCNTs composite fibers. (a) Keratin; (b) Keratin/F-WWCNTs composite fibers

2.4 复合纤维的力学性能

图5示出纯角蛋白纤维和F-MWCNTs质量分数不同时的角蛋白/F-MWCNTs复合纤维的拉伸力学性能。随着F-MWCNTs的增加，复合纤维的拉伸断裂强度逐渐增大，当F-MWCNTs质量分数为0.15%时，复合纤维的拉伸断裂强度达到最大，为91.5 MPa，相比较纯角蛋白纤维提高了139%。最后添加更多的F-MWCNTs，复合纤维的断裂强度开始下降。复合纤维在断裂强度最大处时断裂伸长率也达到最大，这是由于此时F-MWCNTs在角蛋白基体中达到一个均匀分散的状态，在拉伸时可以使应力连续传导，断裂伸长率也达到最高，当其质量分数为0.05%、0.10%时，F-MWCNTs在基体中不能形成稳定的增强网络，断裂伸长率较低，而0.20%含量的F-MWCNTs由于浓度过高而导致部分缠结，导致纤维脆性增大，断裂伸长率降低。

图5 角蛋白/F-MWCNTs复合纤维的力学性能Fig.5 Mechanical properties of keratin/F-MWCNTs composite fibers with various mass fractions of F-MWCNTs

3 结 论

采用新型的L-半胱氨酸还原法溶解羊毛提取角蛋白进行纺丝，并加入功能化改性多壁碳纳米管进行性能增强。结果表明加入F-MWCNTs后纤维的力学强度得到显著提高，当添加量为0.15%时纤维的断裂强度达到(91.5±12.6)MPa，相对于纯角蛋白纤维提高了139%。湿法纺丝过程诱导角蛋白的二级结构向β-折叠进行转变。F-MWCNTs的加入使得纤维结晶性能提高。此外，提取羊毛的整个过程绿色环保，实验操作简便且提取效率高。采用碳纳米管改性羊毛再生角蛋白制备纤维长丝，不但可改善羊毛产品由于其短纤结构而引起的掉毛、易起球等问题，还可有效克服再生蛋白纤维力学性能差的问题，为废弃羊毛再开发利用提供条件。

FZXB

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Preparation of keratin/multi-walled carbon nanotubes composite fibers

ZHAO Mingyu1,2,3， LIU Haihui1,2,3， WANG Xuechen1,2,3， ZHANG Xingxiang1,2,3

(1.StateKeyLaboratoryofSeparationMembranesandMembraneProcesses,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.TianjinMunicipalKeyLabofAdvancedFiberandEnergyStorage,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 3.SchoolofMaterialScienceandEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

To promote the recycling of waste wool, keratin was extracted from the waste wool using L-cysteine as reducing agent, and spinning solution was prepared by dissolving the regenerated keratin in the sodium carbonate-sodium bicarbonate buffer. Multi-walled carbon nanotubes were functionalized with 4-substituted benzoic acid by direct Friedel-Crafts acylation. Regenerated keratin/functionalized multi-walled carbon nanotubes (F-MWCNTs) composite fibers were wet-spun from the mixed solution of F-MWCNTs suspension and keratin solution. The results show that F-MWCNTs were homogeneously dispersed in keratin matrix without any aggregation. With the addition of F-MWCNTs, the composite fibers present crystallinity and content of β-sheet greater than pure keratin fibers. The low addition of F-MWCNTs enhanced the mechanical properties of composite fibers, and the highest breaking stress of the composite fibers reaches 91.5±12.6 MPa with 0.15% F-MWCNTs, which is improved by 139% in comparison with that of pure keratin fibers.

wool keratin; protein fiber; multi-walled carbon nanotube; Friedel-Crafts acylation; wet spinning

10.13475/j.fzxb.20160703405

2016-07-14

2016-11-10

天津市应用基础与前沿计划重点项目(13JCZDJC32100)；国家重点研发计划“重点基础材料技术提升与产业化”专项(2016YFB0303000)

赵明宇(1992—)，男，硕士生。主要研究方向为羊毛蛋白再生纤维合成。张兴祥，通信作者，E-mail:zhangtjpu@hotmail.com。

TQ 342

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