周步光， 张宇慧， 王 平， 王 强， 范雪荣(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122)

丝素/丙烯酰胺/丙烯酸吸水复合材料的紫外光辐照法制备

周步光， 张宇慧， 王 平， 王 强， 范雪荣
(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122)

为制备生物相容性和生物降解性较好的丝素/丙烯酰胺/丙烯酸类吸水复合材料，在传统丙烯酰胺(AM)/丙烯酸(AA)吸水复合材料中引入丝素蛋白，借助于紫外光活化作用，通过光引发剂结合丝素蛋白中酪氨酸上酚羟基、丝氨酸中醇羟基的H元素，使丝素上产生活性自由基，与丙烯酰胺和丙烯酸单体进行接枝共聚。以冻干法制备了丝素/丙烯酰胺/丙烯酸复合材料。通过测定丝素材料的相对分子质量变化、结构特征、热性能和表面形态结构，分析不同条件下制得的丝素复合膜材料的结构与性质差异，评价复合材料吸水保水性和重复吸水性能。结果表明：在紫外光辐照下，丝素可与丙烯酰胺、丙烯酸接枝共聚，使丝素蛋白分子质量增加；其结构中乙烯基特征峰消失，热稳定性提高，具有优良吸水保水性和重复吸水性。

紫外光辐照； 丝素蛋白； 丙烯酰胺； 丙烯酸； 吸水复合材料

丝素(SF)是蚕丝的主要组成部分，结构由18种氨基酸组成[1]。丝素具有良好的透湿性、抗拉伸强度、生物相容性和可降解性，不仅可用于纺织纤维原料；经过一定浓度的盐溶解后，还可加工成多种不同的再生材料(如纳米纤维、支架、水凝胶等)，用作丝素基酶固定化、药物载体、组织工程和生物医学材料制备等[2-4]。丝素蛋白中含有约10%的酪氨酸和14%的丝氨酸等基团，其中的酚羟基和醇羟基有较高的反应性，可与外源功能性化合物进行酶法或化学法接枝[5]，改善丝素材料的应用特性，构建丝素基复合功能材料。

近年来，利用高能射线(紫外线)辐照改性[6]一直是国内外的研究热点。紫外辐照法是一种基于接枝共聚进行材料制备的方法[7]，借助于紫外光的活化作用，通过光敏引发剂结合丝素蛋白中酪氨酸上酚羟基、丝氨酸中醇羟基的H和肽链上部分酰胺键α—H，使丝素蛋白表面产生活性的自由基，进而可引发丝素与外源自由基单体接枝共聚[8-9]。与此同时，紫外辐照也可用于乙烯类单体聚合，包括引发丙烯酸、丙烯酰胺聚合或共聚，用于加工聚丙烯酰胺类、聚丙烯酸类高吸水材料[10-11]，但此类吸水材料具有生物降解性低、易污染环境的问题。已有的研究主要侧重于用过硫酸铵或过硫酸钾化学引发体系引发丝素蛋白与乙烯基单体的接枝共聚合[12]。本文以丝素蛋白为原料，借助于紫外辐照和光引发剂 Irgacure 2959，促进丝素蛋白与丙烯酸和丙烯酰胺分子接枝聚合，通过紫外辐照法引发接枝共聚合光引发剂用量较少，引发时间较短，比过硫酸铵化学引发剂更为环保、高效，并研制了一种吸水性优良、较传统丙烯酸类树脂有良好生物降解性的丝素基吸水材料，以期拓展丝素蛋白的应用领域和附加值。

1 实验部分

1.1 实验材料

蚕丝练白绸(35.5 g/m2，江苏鑫缘茧丝绸有限公司)；紫外光引发剂 Irgacure 2959；对羟基苯甲酸(pHBA)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、氯化钠(NaCl)、氯化钙(CaCl2)、乙醇(CH3CH2OH)、磷酸盐缓冲液等分析纯试剂，乙腈(CH3CN)色谱纯试剂，均购自国药集团化学试剂有限公司；纯水(H2O)由江南大学化工学院提供。

1.2 实验方法

1.2.1 丝素溶液的制备

以n(CaCl2)∶n(CH3CH2OH)∶n(H2O)=1∶2∶8的溶液溶解蚕丝织物[13]，在75 ℃水条件下搅拌2 h得到丝素(SF)溶液，用去离子水对丝素溶解液进行透析，直至透析液电导率值小于4 μS/cm，再将丝素溶液离心去除不溶物，以称量法标定上清液浓度，将丝素溶液在4 ℃下保存。

1.2.2 紫外光辐照处理方法

将量比为1∶4的pHBA与AM在紫外光照体系下辐照10 min引发共聚合反应，借助高效液相色谱法(HPLC)比较溶液体系分子组成变化。

设定丝素与乙烯类单体反应物质的量比为n(SF)∶n(AM)∶n(AA)∶n(MBA)=1∶2∶1∶0.864，紫外光辐照强度为100 mW/cm2，引发剂 Irgacure 2959用量为丝素和乙烯类单体总质量的8%，辐照时间为5 min(含AA样品辐照前用烧碱将溶液调节至中性)。不同对照样品有SF、SF/AM/AA、SF/AM/AA/MBA、AM/AA/MBA，辐照后进行溶液性能测试，剩余溶液在聚四氟乙烯模具内冷冻干燥，并加入质量分数为50%的乙醇纯化处理4 h，以降低膜材料的水溶性，再次冷冻干燥完成膜材料的制备。

1.2.3 复合吸水材料的制备

SF/AM/AA/MBA样品溶液在聚四氟乙烯模具内，经紫外光辐照处理后在-18 ℃冰箱中冰冻4 h，随后放入-50 ℃冷冻干燥机中冷冻干燥24 h，得到相应的复合吸水材料。

1.3 测试方法

1.3.1 高效液相色谱法

取反应结束的样品离心(10 000 r/min, 15 min)，采用平均孔径为0.22 μm的滤膜对待测溶液样品进行过滤，并用E2695型高效液相色谱仪(Waters公司)分析辐照前后体系组成的分子质量的变化；pHBA和AA辐照处理样品测试采用Waters C18色谱柱，以CH3CN/H2O(体积比为5∶95)为洗脱液，洗脱速度为0.5 mL/min，检测波长为254 nm；丝素与丙烯酰胺类反应样品采用BioSuite 450凝胶柱，以含0.3 mol/L NaCl的磷酸盐缓冲液(0.05 mol/L, pH=7)为洗脱液，洗脱速度为0.5 mL/min，检测波长为254 nm。

1.3.2 比黏度法

将溶液样品稀释后，在35℃水浴锅中使用乌氏黏度计测量其通过时间，然后根据下式换算为相对黏度：

η=η1/η5=t1/t5

式中：ηl为样品溶液黏度；η5为去离子水黏度；tl为样品通过时间；t5为去离子水通过时间。

1.3.3 全反射红外光谱法

采用Nicolet iS10 傅里叶变换红外光谱仪的全反射模式，在波数为4 000～650 cm-1的范围对制备的复合吸水材料进行红外光谱分析。扫描次数为32，分辨率为4 cm-1。

1.3.4 差示扫描量热法和热重分析法

采用Q200差示扫描量热仪，以10 ℃/min的升温速度在0～350 ℃范围内对丝素和复合吸水材料进行分析。其中，样品的质量为5.0 mg，氮气流速为50.0 mL/min。

采用TGA-Q500热重分析仪，测试条件：样品质量为5 mg，升温速度为10 ℃/min，升温范围为30～650 ℃，N2气氛(高纯N2，流量为40 mL/min)。

1.3.5 形貌观察

使用SU1510扫描电子显微镜观察样品表观形态结构，样品经过喷金处理，扫描时的加速电压为5 kV。

1.3.6 吸水倍率、保水率和重复吸水性测试

吸水倍率测试以质量分数为50%乙醇溶液对1.2.2中膜材料进行醇化处理，去除未与丝素接枝共聚的AA和AM的聚合体，同时通过促进丝素构象变化，提高吸水材料的结构稳定性[14]。经醇化处理后的材料于室温在水中浸渍不同时间，分别取出样品用滤纸吸干表面的多余水分，按下式计算材料吸水倍率：

Q=(m2-m1)/m1

式中：m1为材料绝干质量，g；m2为材料吸水后质量，g。

保水率测试时，取一定量吸水饱和后的吸水材料样品，分别用滤纸包好后以4 000 r/min离心10 min，取出称量离心后样品的质量[14]，按照下式计算材料离心保水率：

式中：w1为材料吸水饱和后的质量，g；w2为离心脱水后的质量，g。

重复吸水性测试时，将已吸水饱和后的丝素复合材料烘干，再次按照吸水倍率测定的方法，评价其重复吸水的性能[14]。

2 结果与讨论

2.1 聚合产物的相对分子质量分布

选用pHBA作为丝素中酪氨酸残基的模型物，考察其与AM光引发反应的可行性。pHBA与丝素中酪氨酸结构相似，均含有酚羟基，且水溶性优于酪氨酸。紫外光辐照下pHBA与AM反应前后样品的高效液相色谱图如图1所示。

图1 pHBA与AM反应前后液相色谱图Fig.1 HPLC chromatograms of pHBA and AM before and after reaction

紫外光辐照条件下，丙烯酰胺单体可进行自聚反应，也可与对羟基苯甲酸的活性基反应，使溶液体系分子质量分布发生变化。图1中单独的pHBA、AM的保留时间分别为5.84、7.60 min，引发剂Irgacure 2959几乎没有明显出峰。经紫外光辐照后，7.60 min处AM峰消失，pHBA峰强度下降，5.51 min处提前产生新吸收峰，表明溶液中生成较高相对分子质量的产物，即pHBA与AM发生了接枝共聚，也可能同时存在丙烯酰胺自聚，表明在紫外光辐照下丝素(SF)与含有乙烯基类化合物具有接枝共聚的可行性。

2.2 紫外光辐照对体系分子质量的影响

在紫外光辐照条件下，AM、AA单体可发生自聚或共聚，也可与丝素上酪氨酸自由基反应，使得体系分子量增加，溶液黏度增大。测定不同样品的相对黏度，结果如表1所示。

表1中SF溶液稀释后黏度与溶剂相似，SF/AM/AA样品黏度大于SF，表明体系中生成大分子聚合物，使体系分子质量增加；加入交联剂MBA后反应物间可聚合形成网状结构，体系黏度达最大值；SF/AM/AA/MBA相对黏度也高于AM/AA/MBA样品，验证了交联剂可促进丝素大分子与AM、AA接枝共聚，使体系黏度和分子质量增加。借助体积排阻色谱法，测定表1中不同样品的分子质量分布，结果如图2所示。

表1 紫外光辐照后丝素/丙烯酰胺/丙烯酸溶液体系的相对黏度Tab.1 Relative viscosity of SF/AM/AA solution system after UV irradiation

注：a—SF; b—SF/AM/AA; c—AM/AA; d—SF/AM/AA/MBA。图2 紫外光辐照后不同样品的体积排阻色谱Fig.2 SEC chromatograms of different samples after UV irradiation

图2中，SF/AM/AA/MBA样品保留时间较其他样品略短，SF样品出峰最晚，SF/AM/AA样品保留时间介于二者之间。根据保留时间与相对分子质量分布的相关性可知，SF/AM/AA/MBA样品经紫外光辐照后生成了相对分子质量较高的组分，表明丝素与AM、AA发生了接枝共聚。图2结果与表1中对应黏度数据具有很好的一致性，表明紫外光辐照法可构建丝素/丙烯酰胺/丙烯酸复合吸水材料。

图3 丝素及紫外光辐照后样品红外吸收光谱图Fig.3 FT-IR spectra of silk fibroin and samples with UV irradiation

2.3 丝素基复合材料的红外光谱和热性能

分析吸水材料SF/AM/AA/MBA的热力学转变温度，并与丝素样品、AM/AA/MBA共聚物作对比，结果如图4所示。图中150 ℃以下自由水和结合水蒸发，188 ℃出现了玻璃态转变点[16]，287 ℃处的吸热峰则是丝素蛋白热降解引起的。SF/AM/AA/MBA的热失重曲线如图5所示，相比AM/AA/MBA的热失重，丝素蛋白的引入提升了AM/AA/MBA的热分解温度。对比图4、5可看出：样品AM/AA/MBA的热裂解温度大致为264 ℃，低于丝素蛋白；样品SF/AM/AA/MBA材料的热裂解温度则介于二者之间，较AM/AA/MBA样品有明显提升，表明其热性能较传统聚丙烯酰胺类材料有一定改善。

图4 丝素及紫外光辐照后样品的差示扫描量热曲线Fig.4 DSC curves of silk fibroin and samples after UV irradiation

图5 丝素及紫外光辐照后样品的热失重曲线Fig.5 TGA curves of samples after UV irradiation

2.4 丝素基复合材料的表面形貌

分别对SF、SF/AM/AA、SF/AM/AA/MBA的冻干膜进行SEM表面形貌分析，结果如图6所示。

图6(a)中丝素膜表面不连续，结构较疏松。丝素与AM、AA接枝共聚后，图6(b)显示膜表面连续性较好，其原因与丝素和AM、AA接枝共聚及后二者共聚相关。交联剂MBA在接枝共聚反应中有2个作用：一是使吸水功能基团发生交联，形成稳定的“网”结构；二是使树脂交联，作为骨架的基材具有更强的交联结构。由图6(c)可知，在紫外光辐照中添加交联剂MBA后，复合吸水材料表面光滑，结构也更为致密[17]。

图6 丝素、丙烯酰胺和丙烯酸复合吸水材料的表面形貌(×500)Fig.6 Surface morphologies of water-absorbing composite of SF, AM and AA(×500)

2.5 丝素基复合材料的吸水性和保水性

丙烯酰胺与丙烯酸共聚物有较强吸水性，在二者体系中加入丝素蛋白，丝素不仅会起到材料骨架作用，而且通过与AM、AA接枝共聚，还可进一步提高材料的稳定性。测定添加交联剂的复合材料SF/AM/AA/MBA的吸水性和二次干燥后的重复吸水性能，结果如图7所示。

图7 SF/AM/AA/MBA膜材料的吸水倍率和二次重复吸水倍率曲线Fig.7 Water absorbency and secondary water absorbency of film material of SF/AM/AA/MBA

从图7可看出：膜材料二次吸水的初始吸水倍率均较快，4 min时吸水倍率即达饱和吸水倍率的90%，并在5 min后趋于稳定；随后吸水率增加趋缓，在30 min左右达到饱和吸水状态，最终吸水倍率达到11.45 g/g。SF/AM/AA/MBA膜材料的二次重复吸水性能与首次测得的吸水性能基本一致，表明该膜材料具有可重复利用性。在此实验基础上，将充分吸水后的SF/AM/AA/MBA膜材料依照1.3.6方法进行保水率测定，样品的保水率达到64.2%，表明膜材料具有良好的保水性能。

3 结 论

1)以pHBA与AM进行紫外光辐照的模拟反应，体系中较高分子质量组分含量增加，表明紫外光辐照可以促进酚羟基结构与丙烯酰胺的聚合；借助于体系分子质量变化测定，验证了丝素可与AM和AA接枝共聚，用于制备丝素基复合吸水材料。

2)采用紫外光辐照法制备的SF/AM/AA/MBA膜其热学性能较AM/AA/MBA膜改善，反应中添加交联剂MBA改善了复合膜材料的外观平整度。

3)SF/AM/AA/MBA复合膜材料室温下吸水倍率达11.45 g/g，二次重复吸水倍率与前者相当，保水率为64.2%，表明采用紫外光辐照法制备的丝素/丙烯酰胺/丙烯酸类复合吸水材料具有良好的应用特点。

FZXB

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Preparation of water-absorbing composite of silk fibroin/acrylamide/acrylic acid by UV irradiation

ZHOU Buguang, ZHANG Yuhui, WANG Ping, WANG Qiang, FAN Xuerong
(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity)，MinistryofEducation，Wuxi，Jiangsu214122，China)

In order to prepare water-absorbing composite of fibroin/acrylamide/acrylic acid with better biocompatibility and biodegradability, silk fibroin was introduced into the conventional water-absorbing composite of acrylamide/acrylic acid. To obtain active free radicals on silk fibroins, UV irradiation was used to activate fibroin molecules via binding hydrogen of phenolic group of tyrosine residues and alcoholic hydroxyl in serine residues. Thus, the graft copolymerization of AM and AA with silk fibroins was carried out. The composite membrane of fibroin/AM/AA were prepared by freeze-drying method. The changes in the molecular weights of fibroin materials, structure characteristics, thermal characteristics and surface morphologies of the composite fibroin membranes under different treating conditions were investigated, respectively. The water absorption and conservation properties and repeated water-absorbing performance were also evaluated. The results indicate that AM and AA are successfully grafted and copolymerized onto fibroin surfaces, leading to an increase of molecular weight of fibroin proteins. The structure characteristic of vinyl disappeared in the composite material and improved thermal stability is achieved. Meanwhile, acceptable water swelling and conservation properties along with repeated water absorption capability for the composite membrane are also obtained.

UV irradiation; silk fibroin; acrylamide; acrylic acid; water-absorbing composite

2016-07-07

2016-12-23

国家自然科学基金资助项目(51373071)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(苏政办发[2014]37号)；青蓝工程资助项目(苏教师[2016]15号)

周步光(1994—)，男，硕士生。主要研究方向为纺织品生态加工技术。王平，通信作者，E-mail: wxwping@163.com。

10.13475/j.fzxb.20160702206

TS 195.5

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