微流控干纺及再生丝素纤维的表征

摘要

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。

摘要

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。

引言

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。

研究方案

警告: 请在使用前查阅所有相关的材料安全数据表。用于制备成型的几种化学药剂具有剧毒。请使用个人防护用品 (安全眼镜, 手套, 实验室大衣, 全长长裤, 和脚趾鞋).

1. 微流体纺丝 RSF 水溶液

1. RSF 水纺涂料的制备 ^{4 , 15 , 16}
   1. 蚕茧脱胶
      1. 脱胶在 Na 2 CO ₃ 水溶液 (水中 0.5%) 中, 分别为100和 #176; C 为30分钟, 然后用去离子水洗涤丝绸去除丝胶.
   2. 脱胶蚕茧的溶解
      1. 在空气中干燥脱胶茧丝绸; 然后在 9.0 M 溴化锂水溶液中溶解脱胶茧丝, 比例为 1:10 (w/v), 在40和 #176; C 为 2 h。例如, 每1克丝添加10毫升的溴化锂 ( 图 1a ).
   3. 离心和筛选
      1. 通过去离子水稀释 RSF 溶液1.5 次。离心机和过滤器去除杂质。离心 RSF 溶液在250毫升瓶在4和 #176; C 为10分钟在 1234.8 x g. 使用20和 #181; m 过滤器和真空泵过滤 RSF 溶液。考虑试验效果, 双滤纸床更可取.
   4. 透析
      1. 透析5和 #176 的去离子水中的 RSF 解决方案; C 使用纤维素透膜 (分子: 1.4万和 #177 2000) 的3天。RSF 溶液总容积约1升, 载入4透析袋。把这些透析袋放在水桶里, 里面装满了10升反渗透 (RO) 的去离子水.
         注: 去离子水的 pH 值应高于 6, 以避免在浓缩过程中发生凝胶。去离子水的 pH 值不需要对此协议进行调整.
   5. 集中
      1. 将 RSF 水溶液以5和 #176 的强制气流浓缩到 20%; c. 将3米 CaCl ₂ 水溶液添加到 RSF 溶液中至1.0 摩尔/克 Ca ^{2 +} 最终浓度; 然后用强迫空气集中流到 38-47%.
      2. 将一滴 RSF 溶液放在玻片上, 然后在 105 #176 的烤箱中将其烘干2小时; C.
         注: 与干燥前的重量相比, 剩余固体的重量百分比是蛋白质和 CaCl 的总浓度 ₂ 。RSF 浓度是在扣除质量的 CaCl ₂ 后获得的。至少进行了四次重复测量。我们以前的研究表明, 钙的浓度 ^{2 +} 极大地影响了 RSF 水溶液的流变性能和可纺性。同时, Ca ^{2 +} 的添加导致了有限的 #946;-页和 RSF ¹⁷ 的聚合。在本机纺丝涂料中, CaCl ₂ 被认为在纺纱涂料贮存过程中起着重要作用, 避免了纺纱前的胶凝。 ¹⁸
2. 微流控芯片的准备 ^{8 19}
   1. 准备掩
      1. 设计微型通道CAD 程序。打印 CAD 文件以生成高分辨率透明度 ¹⁹ .
   2. 准备模具
      1. 在化学罩中清洗玻璃幻灯片
         1. , 将浓硫酸和 30% 过氧化氢溶液 (10:1) 的混合溶液中的玻片煮沸, 在热板上20分钟.
            注意: 硫酸和过氧化氢蒸气是非常有毒的.
      2. 清洗玻璃幻灯片
         1. 使用去离子水冲洗玻璃玻片, 用高纯度氮气吹干。
      3. 涂膜
         1. 将 SU-8 的光刻胶涂在玻璃滑轨上, custom-built 涂层设备的间隙为100和 #181; m 在涂层条的下表面和玻璃的上表面之间.
      4. 自旋涂层
         1. 在玻片上传播光刻胶, 在三十年代使用 40.3 x g 的旋转涂布机形成一个均匀的胶片。均匀膜的厚度约为85和 #181; m.
      5. 固化
         1. 使用温度控制程序在烤箱中固化光刻胶。将室温温度提高到65和 #176; c 在2和 #176; c/分钟, 并保持在65和 #176; c 为2分钟, 继续升温从65和 #176; c 到95和 #176; c 和保持在95和 #176; c 为 15 min. 关闭烤箱, 自然降温到房间烤箱里的温度.
      6. 紫外线曝光
         1. 将玻璃玻片的侧面与光刻胶一起暴露在十二年代使用透明胶片作为掩的光刻 ¹⁹ 。 注意: 紫外光的波为 365 nm, 曝光能量为273.6 兆焦耳/cm ² .
            注意: 在使用 UV 灯和烤箱时, 采取适当的安全措施.
      7. 按步骤1.2.2.5 中所述固化光刻胶.
      8. 开发
         1. 在三十年代开发人员解决方案中超声波清洗光刻胶. 用异丙醇和显影液冲洗玻片, 交替两个, 直到玻璃滑梯上没有沉淀.
      9. 使用温度控制程序在烤箱中固化光刻胶。将室温温度提高到170和 #176; c 在2和 #176; c/分钟, 保持在170和 #176; c 为30分钟. 关闭烤箱, 自然冷却到烤箱室温.
   3. 软光刻
      1. 将8.8 克液体烷 (硅橡胶) 预在模具和固化中, 在65和 #176 上30分钟; c, 和15分钟, 在80和 #176; c. 液态预由硅橡胶和固化剂组成 (通常在 10:1 (w/w)).
   4. 冲孔
      1. 通过钻孔在通道的开始处通过该复制副本来打孔。钻头直径为 1.2 mm.
   5. 密封
      1. 通过在两个硅橡胶层表面上进行氧等离子体处理, 将具有该通道的硅橡胶复制件与无图案的平坦的硅橡胶层密封.
         注: 芯片的整体制备过程约需72小时.
3. 制作 RSF 光纤
   1. 旋喷剂
      1. 将 RSF 旋涂料注入2和 #181 的微通道中; 由注射器泵送至/分钟.
   2. 环境调节
      1. 将相对湿度调整为40和 #177; 5 RH% 或50和 #177; 5 RH% 使用加湿器。在40和 #177; 5 RH%, 作为纺纤维固化速度超过50和 #177; 5 RH%.
   3. 生产 RSF 光纤
      1. 通过在微流体通道的出口处触摸 RSF 的下落, 将 RSF 纤维拉入空气中, 然后通过10厘米的空气间隙将其卷到滚筒上, 速度为3厘米/秒 ( 图 1b ).
   4. 将 RSF 光纤存储在密封的干燥中24小时.
   5. 光纤后处理
      1. 在 80% ethano 中绘制4次在 0.9 mm ^-1 上的旋转纤维l custom-built 机解决方案, 然后保持所绘制的纤维固定, 浸泡在溶液中的纤维1小时。由于这种处理, 纤维的长度从原来的15毫米改为60毫米.
   6. 准备用于特征描述的示例
      1. 将 post-treated 光纤固定在一个长度为 10 mm 的纸框架上。至少有20光纤需要测量, 包括在拉伸试验, SEM, FTIR, 和 WAXS。post-drawn 纤维的直径范围从5到10和 #181; m. 图 1 显示了纤维生产和 WAXD 特性的示意图。RSF 纤维的力学性能由 (25、#177、2)、#176、C、(45、#177; 5) 相对湿度为% 的材料测试系统检测。延伸率和测量长度分别为2毫米/分和1厘米.

2。RSF 光纤晶体结构的同步辐射表征

1. 同步辐射特性 ^{4 13 17}
   1. 调整光束
      1. 将 X 射线和光斑大小的波长调整为 0.07746 nm 和 3 x 2 和 #181; m ² 分别.
         注: 该协议是使用 BL15U1 光束在上海同步辐射设施.
   2. x 射线点的位置
      1. 查找 x 射线点的位置.
         注: x 光点的位置由同步辐射装置的实验室技术员进行调整.
   3. 标准样品测试: 二氧化铈 (ceo ₂ )
      1. 测试标准样品 ceo ₂ 粉末。CeO ₂ 粉末的特征是计算圆中心和从样品到检测器的距离.
   4. 示例准备
      1. 在纸框架上以 10 mm 的长度与对方并行修复 RSF 丝。将纸张框架粘附在测试阶段.
         注意: 保持纤维水平.
   5. SR WAXD 测试
      1. 打开快门
         1. 关闭光束站的门, 确保房间内没有人。打开 X 射线光源的快门.
      2. 聚焦
         1. 将纤程稍稍移至焦点。通过软件 ( 图 1c ) 远程调整光纤沿 x、y、z 方向的位置.
      3. 示例曝光
         1. 通过软件远程上下移动光纤, 直到它位于 x 射线点上。按软件上的 "开始" 按钮将光纤暴露给二十年代的 X 射线光束 ( 图 1c ).
      4. 背景衍射
         1. 以二十年代的曝光时间来测试空气背景的衍射. 通过软件将光纤从 X 射线点远程移开。按下 #34; 启动和 #34; 软件上的按钮, 以暴露 X 射线光束到 #34; 空气介质和 #34; 二十年代.
2. WAXD 数据处理 ¹³
   1. 软件校准
      1. 使用 FIT2D (V12.077) 处理 WAXD 数据。使用 CeO ₂ 粉末的衍射数据校准圆中心和 sample-to-detector 的距离.
   2. 2 维衍射图案
      1. 使用 FIT2D (V12.077) 从光纤衍射图案中减去空气背景.
   3. 结晶度和微晶尺寸
      1. 将衍射强度集成为散射角2和 #952 的函数;。通过自动峰值分离软件 (版本 4.12) ¹² 来执行强度积分的反褶积。结晶度, x _c , 从关系估计:
         
         , 其中 i _c 是晶体峰的综合强度和 i _的总和 是非晶晕的综合强度 ^{4 , 11} 。WAXD 模式的集成显示了 [200]、[020]、[002] 反射的峰值宽度。这些峰值的 FWHM 使用谢瑞和 #39 的公式 ⁴ 来确定沿 a、b 和 c 轴的微晶大小.
   4. 确定微晶方向
      1. 根据 (020) 和 (210) 峰值 ¹¹ 的方位积分计算微晶和无定形的取向。根据赫尔曼和 #39 的取向, 可以定量地计算晶体的取向。在这里, (020) 和 (210) 峰都装有两个高斯函数。较窄的一个是晶体方向和其他更广泛的是面向非晶态材料 ¹³ 。在这里, 对 RSF 纤维的微晶取向进行了比较, 利用了方位积分 (002) 峰值的半最大 (FWHM) 的全宽度.

结果

采用微流控纺丝方法成功地制备了高强度 RSF 纤维。在图 2中显示了拉伸 RSF 光纤 C44R40 的应力-应变曲线和 SEM 图像。在拉伸试验中测量了至少10纤维。根据纤维断裂应力和应变的平均值选择应力应变曲线。光纤的 WAXD 数据显示在图 3中。根据 WAXD 数据计算了结晶度和结晶取向。对于样品的指定, 我们用 C 和 R 分别介绍了纺丝涂料?...

讨论

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?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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