胶原蛋白纺丝溶液的流变性能

摘要:

研究了胶原纺丝溶液的流变学性质,讨论了浓度、温度对胶原流变特性的影响。结果表明:随着浓度的增大,胶原蛋白溶液的弹性模量(G')、粘性模量(G'')和复数粘度(η*)都有提高,并且出现假固态行为,当胶原蛋白溶液浓度大于0.75%以后胶原蛋白溶液的粘弹性突然成数量级增大,另外胶原蛋白溶液的内耗(tanδ)随着溶液浓度的升高而增大,在浓度为0.75%的时候达到最大值而后逐渐减小;随着温度的升高,胶原蛋白溶液的G'、G''和η*都降低,而tanδ升高,并且表现出假液态行为,当温度低于25℃时,胶原蛋白溶液的各种性能变化并不明显,当温度升高到32.5℃时,G'、G''、η*和tanδ突然降低到很小的值且缺乏规律性,表明在该温度下胶原的天然结构已经被破坏。

关键词:胶原;流变特性;弹性模量;粘性模量;复数粘度;内耗

胶原作为一种天然高分子蛋白质,其相对分子量为300kDa左右[1],主要存在于动物皮肤、肌腱、韧带、软骨及其他结缔组织中,具有支撑器官和保护肌体的功能,也是组成细胞间质最重要的功能蛋白质[2]。天然胶原是一种优良的生物材料[3-6],其独特的螺旋结构赋予其优异的成纤维性能。目前,国内外的专家学者对胶原蛋白纤维的研究做了大量的工作,已开发出一些如胶原蛋白手术缝合纤维的产品。胶原蛋白溶液的流变学性质对胶原蛋白溶液的纺丝加工起着举足轻重的作用,目前已有一些关于胶原水解物与聚乙烯醇共混物或与壳聚糖共混物的流变学特性研究的报道[7-9]。本论文研究天然胶原蛋白溶液的流变特性,将为天然胶原蛋白的纺丝和应用提供理论基础。

1试验部分

1.1试验仪器

主要仪器:动态流变仪RheomeferSystermGemini 200,英国Molvern公司;高速冷冻离心机GL-20G-Ⅱ,上海安亭科学仪器厂;冷冻干燥机,FD-1A-50,北京博医康实验仪器有限公司。

1.2胶原的制备

新鲜牛皮经过脱毛、中和、水洗后进行物理碎化,在酸性条件下用蛋白酶低温处理48h,经离心、盐析、透析、冷冻干燥后,冷藏备用[10]。电泳法测得胶原的分子量大约为300kDa。

1.3胶原蛋白溶液的动态频率扫描

用动态流变仪研究胶原蛋白溶液的线性粘弹,测定弹性模量G'、粘性模量G''、复数粘度η*和内耗tanδ随着频率f的变化。本试验中采用4˚。锥形板夹具,锥形板的直径为40mm,线性粘弹性测试时应变设定为5%,扫描频率范围为0.01 s-1~100 s-1,但由于在频率较高的区间误差较大,所以试验数据截取在频率0.01s-1~10 s-1的范围内。不同浓度胶原蛋白溶液的测试温度为25℃,不同温度的胶原蛋白溶液的浓度为1.00%。为了消除材料的热历史对其流变性能带来的影响,所有的测试都在温度升高到设定温度后20min进行。

2结果与讨论

2.1浓度对胶原蛋白溶液粘弹性的影响

图1~图3分别表示了不同浓度胶原蛋白溶液的G'、G''和η*随着f变化的规律。由图1~图3可见,胶原蛋白溶液的G'、G''及η*都随着浓度的增大而升高。在试验浓度范围内,随着胶原蛋白溶液浓度的增大,胶原蛋白溶液的G'、G''及η*都提高1~2个数量级,并且在浓度较高时,G'、G''及η*的增大更加明显。在相同的频率下,如f=0.01 s-1时,胶原蛋白溶液的浓度从0.50% 增加到0.75%时,G'、G''及η*则分别从0.07424Pa、0.1312Pa和2.399Pa.s增加到 0.1474Pa、0.2283Pa和3.644Pa.s,增加的幅度并不是很大,仅增加了不到1倍;而当浓度增大为1.00%时,G'、G''及η*则分别增大到1.297Pa、1.53Pa和31.74Pa.s,与浓度为0.50%的溶液相比增加了1个数量级以上;当浓度增大到1.50%时,G'、G''及η*更是分别增大到21.13Pa、14.31Pa和406.2Pa.s,增加了2个数量级以上。说明胶原蛋白溶液的粘弹性受到浓度的影响较大,随着胶原蛋白溶液浓度的增大其溶液的粘弹性都会增大,而且这种影响在胶原蛋白溶液浓度较大的时候更为明显,当胶原蛋白溶液浓度高于0.75%以后胶原蛋白溶液的粘弹性突然成数量级增大。

由于高分子之间的相互缠结,高分子的流动不是单个高分子链整体流动,而是通过链段的位移运动来完成的,高分子的链段由于热运动和受应力的作用跃迁到孔穴(溶液中与分子链段尺寸相当的自由体积)中。影响这种高分子流动速度的主要因素是链段跃迁的速度和使高分子平移所需要的跃迁次数[11-12]。作为一种相对分子量为300kDa左右的天然高分子,胶原蛋白溶液的流动必然也是依靠多肽链的位移运动来完成的。由于试验中胶原样品的分子量相同,所以试验中不同样品中使胶原分子平移所需要的跃迁次数是一定的,因此,影响胶原蛋白溶液粘性流动的主要因素就取决于胶原分子链段跃迁速度的快慢。当胶原蛋白溶液浓度增大时,胶原分子的缠结程度增大,分子之间相互作用的摩擦力增大,分子链段跃迁速度变慢,从而导致胶原蛋白溶液的粘度增大。在胶原蛋白溶液浓度较高的时候,溶液中自由体积较浓度低的溶液少,此时浓度增加带来胶原分子缠结程度增大的效应更大,所以胶原蛋白溶液的粘度增大的现象在高浓度溶液中表现得更加明显。

从试验结果还可以看出,在较低频率下,胶原蛋白溶液的G'G'',说明随着胶原蛋白溶液浓度的增大,f向低频区移动,这种现象称为假固态行为。胶原蛋白溶液的浓度增大,胶原分子的缠结程度增大,分子之间的内摩擦增大导致胶原的内耗增大,松弛慢,弛豫时间增长,弹性对胶原蛋白溶液的贡献增大,因此两种流动发生转变的f向低频区移动,表现出假固态行为。

高分子在交变应力(应力大小呈周期性变化)的作用下,形变落后于应力变化的现象就称为滞后现象。滞后现象的发生是由于高分子链段在运动时要受到内摩擦力的作用,当外力变化时链段运动还跟不上外力的变化,所以形变落后于应力,有一个相位差δ,又称为力学损耗角,当然δ愈大说明链段运动愈困难,愈是跟不上外力的变化。如果形变的变化落后于应力的变化,发生滞后现象,则每一循环变化中就要消耗功,称为内耗,常用损耗角正切值tanδ来表示内耗的大小,而当链段运动困难到一定程度,外力作用后链段根本来不及运动,tanδ反而会降低。从图4可以观察到当胶原蛋白溶液浓度从0.5%增加到0.75%的时候,溶液的tanδ增大,但是当胶原蛋白溶液继续增大以后,溶液的tanδ却随着胶原浓度的增大而减小。胶原蛋白溶液浓度从0.5%增加到0.75%,由于胶原分子之间缠结程度增大导致胶原链段在运动时受到的内摩擦力增大,因此溶液的tanδ增大;而当胶原蛋白溶液浓度升高到大于0.75%以后,分子之间缠结程度更大,外力作用以后链段根本来不及运动,所以胶原蛋白溶液的tanδ反而降低,而且浓度越高tanδ越小,这个结果也从另一个方面证明了当胶原浓度大于0.75%以后,溶液的粘弹性突然成数量级增大。

2.2温度对胶原蛋白溶液粘弹性的影响

图5~图7分别表示了不同温度胶原蛋白溶液的G'、G''和η*随着f变化的规律。由图5~图7可见,胶原蛋白溶液的G'、G''及η*都随着温度的升高而降低,而且温度在25℃以下的时候并不明显,当温度升高到27.5℃以后G'、G''及η*的降低幅度开始增大,而当温度升高到32.5℃时,G'、G''及η*陡然降低并且失去规律性。在相同的频率下,如f=0.01 s-1时,胶原蛋白溶液的温度从20℃ 增加到25℃时,G'、G''及η*则分别从1.326Pa、1.731Pa和34.48Pa.s减小至 1.279Pa、1.53 Pa和31.74Pa.s,降低的幅度很小;当温度升高到27.5℃时,G'、G''及η*则分别降低到 0.4825Pa、0.7448 Pa和14.12Pa.s,下降的幅度开始增大;而当温度升高到32.5℃时,G'、G''及η*变得很混乱,失去规律性,大部分数据与20℃时的数据相比已经降低了2~3个数量级。

当温度升高时,胶原分子热运动能量增加,溶液中孔穴也会随着增加和膨胀,从而使胶原分子链段跃迁的阻力变小,速度加快,因此胶原蛋白溶液的粘度降低[12]。但是蛋白质的天然构象只在一定温度范围内稳定。当温度高于胶原的热变性温度时,维持胶原天然三股螺旋结构的氢键将被破坏,胶原的三股螺旋结构将会解旋,由γ三聚体变成α单链或者β二聚体,胶原的相对分子量会变小而且分子量分布会变宽,同时胶原的许多物理性质也会发生改变[13],溶液的粘性和弹性都将急剧降低。而当温度升高到32.5℃时,胶原蛋白溶液的G'、G''及η*减小到非常小的值,并且变化趋势缺乏规律性,表明在32.5℃时胶原这种高分子蛋白质的结构已经发生了变化。该温度比文献中报道牛皮胶原的变性温度(38.5℃)[14]要低,由于在测试胶原蛋白溶液动态流变学特性的时候,胶原蛋白溶液受到一定应力的作用,所以破坏胶原天然结构的能量不仅仅来自于温度提供的热能,还来自于应力所做功产生的机械能。由于应力作用破坏了部分维持胶原三股螺旋结构的氢键,使得胶原蛋白溶液的热稳定性能降低,变性温度降低,因此在32.5℃的时候,胶原已经变性,天然的结构发生改变。

在较低频率下,不同温度的胶原蛋白溶液同样表现为似液体的粘性流动行为,而在较高频率下也表现为似固体的弹性流动行为。但是粘性流动向弹性流动转变的f却随着温度的升高而向高频区移动,当温度分别为20℃、25℃、27.5℃和30℃时,两种流动发生转变的f分别是0.04175 s-1、0.05298 s-1、0.5736 s-1和1.887 s-1,说明随着温度的升高,胶原蛋白溶液表现为假液态行为。由于温度升高,胶原分子的热运动增强,松弛快,弛豫时间可以缩短,粘性对胶原蛋白溶液的贡献增大,因此两种流动发生转变的f向高频区移动。

图8表示了不同温度胶原蛋白溶液的tanδ随着f变化的规律。从图8可以观察到胶原蛋白溶液的tanδ随着温度的升高而增大,这是由于温度升高,链段的运动加剧,因此链段运动受到的摩擦力增大,胶原形变的变化更加显著地落后于应力的变化,所以tanδ增大。当温度达到32.5℃时,胶原的天然结构发生变化,tanδ变得不规律,而后由于氢键断裂导致胶原由γ三聚体变成α单链或者β二聚体,相对分子量降低,而小的分子链段运动比较自由,因此tanδ后来都减小。

3结论

(1)胶原蛋白溶液G'、G''和η*随胶原蛋白溶液浓度的增大而增加,而且在胶原蛋白溶液浓度较大的时候更为明显,当胶原蛋白溶液浓度大于0.75%以后胶原蛋白溶液的粘弹性突然成数量级增大。粘性流动向弹性流动转变的f向低频区移动,表现出假固态行为。低浓度时胶原蛋白溶液的tanδ随浓度的增大而增加,但当胶原蛋白溶液浓度大于0.75%以后,tanδ却随着胶原浓度的增大而减小。

(2)胶原蛋白溶液的G'、G''及η*都随着温度的升高而降低,而tanδ随着温度的升高而增大,而且粘性流动向弹性流动转变的f向高频区移动,表现出假液态行为。温度在25℃以下的时候,G'、G''及η*的降低并不明显,而当温度升高到27.5℃以后G'、G''及η*的降低幅度开始增大。当温度升高到32.5℃时,胶原蛋白溶液的G'、G''、η*及tanδ陡然降低并且失去规律性,此时胶原的天然结构已经发生了变化。

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(作者单位:李洋,北京市纺织纤维检验所;李国英,四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室)