纖維科學專業(yè)知識公開課一等獎市優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎課件

1科學的魅力東華大學胡學超2008年5月2科學的魅力在哪里?

在于對無窮的未知的探索。那么我們的領域有無東西需探索?

有無高科技？

有3高水平的學科中國紡織大學五星級學科與高分子的淵源產(chǎn)學研特色人才4創(chuàng)始人錢寶鈞教授方柏容教授1954年由錢寶鈞、方柏容教授創(chuàng)建“化學纖維”專業(yè)全國最早建立的高分子材料類專業(yè)之一師從意大利米蘭工學院諾貝爾獎獲得者Natta教授獲得首屆中國工程科學技術獎5大量高科技的研究內(nèi)容高科技的開發(fā)及未知科學問題的解答增添了無窮興趣與魅力下面大體介紹一下6興趣靠積累物理數(shù)學化學纖維計算機模擬仿生學—動植物7紡織服裝航空航天國防軍工電子信息生物醫(yī)學能源環(huán)境

纖維材料不單是衣著用的材料而且是國防建設的重要基礎材料和戰(zhàn)略物資8纖維材料在服用外的其他用途軍用紡織品醫(yī)用紡織品建筑用紡織品農(nóng)業(yè)用紡織品交通工具內(nèi)裝飾水利,交通工程用紡織品特殊服裝復合材料9軍用紡織品碳纖維增強復合材料（碳-碳復合、碳-硅復合、碳-環(huán)氧樹脂復合）洲際導彈、隱形飛機每架波音777飛機要用約1萬磅碳纖維每架A380所用碳纖維復合材料達40%,27噸

高性能纖維裝甲車,鋼盔、防暴盾牌、防彈車、防彈衣高強高摸PE,PBO,Kevlar智能纖維能信息交流的智能服裝，美軍將于2010年裝備自動抗生物,化學毒試劑服10PAN基碳纖維力學性能最佳應用面最廣需求量最大發(fā)展最快機身材料的50％為碳纖維復合材料碳纖維在風力發(fā)電葉輪中應用碳纖維用于海上采油平臺結構材料可作結構材料的PAN基碳纖維11

有機高性能纖維材料是航天航空、國防軍工等急需的關鍵材料高強高模PE纖維芳綸PBO纖維有機高性能纖維材料12醫(yī)用紡織材料紡織品或纖-維增強復合材料中空纖維——人工腎、人工肝、人工肺無紡布——人工皮膚、藥物釋放材料醫(yī)用縫合線人造血管、喉管、人體管道介入治療用器械可自動止血的服裝人體可自動吸收,分解的纖維材料13建筑用紡織品膜結構建筑滌綸為底涂聚氯乙烯（目前）玻纖為底涂四氟乙烯（發(fā)展中）氣囊結構大橋吊索——碳纖維纖維防裂水泥、纖維增強水泥居室裝潢14農(nóng)用紡織品增強膜、天膜、地膜（含無紡布）、遮擋膜無土栽培基質(zhì)輸液管防沙漠化的草皮（無紡布）吸水材料（聚乙烯醇）水產(chǎn)業(yè)用網(wǎng)15交通工具內(nèi)裝飾汽車、飛機、船用座椅抗靜電、阻燃、防曬、耐臟、美觀、舒適安全帶、安全氣囊、油氣過濾、剎車片高強高模簾子線復合材料車殼、保險杠飛機中隔熱墊料16水利交通工程用紡織品各種基礎設施建設需要各類土工材料水庫建設、水壩、水閘河堤、港口、河道改良機場、高速公路、高速鐵路17特殊服裝方面航天服保健服各類特殊運動服跳傘攀巖蹦極登山潛水科學考察18服用材料方面隨著人們生活水平的提高，對服裝的要求會越來越高舒適易處理保型色澤鮮亮，色彩豐富透氣保濕19新技術在紡織業(yè)中的應用生物技術納米技術信息技術智能紡織材料20生物技術在紡織、纖維方面的應用以植物為原料制備高分子材料PTT纖維（1-3異丙醇）聚乳酸纖維素淀粉纖維紡生技術的應用蜘蛛絲桑蠶絲發(fā)酵生產(chǎn)蛋白質(zhì)21納米技術高聚物與無機納米材料共混阻燃、易染、抗靜電、抗菌纖維納米纖維儲氫材料、燃料電池、導電材料、過濾材料制備方法電力紡絲分子紡絲板紡絲法聚合成型法22信息技術可快速傳遞有關時尚信息，加速設計、銷售QRS，數(shù)字紡織由纖維性能,織造結構,通過計算機軟件計算得到面料性能導電材料、納米材料、光電纖維帶有鍵盤和母板的時裝美軍的新式作戰(zhàn)服23智能紡織材料感知外界信息，并作出反應改變顏色、發(fā)生振動、膨脹

導電、計算、儲存能量潛水衣（測溫、導電、加熱）滑雪服（相轉(zhuǎn)變材料）傳感器降落傘（變色材料）生物傳感器納米傳感器抗毒反應型納米服執(zhí)行器（Actuators）可做成織物的柔性光電池、光電織物軍用導電納米復合材料、光電半導體裝置抗微生物材料仿人工肌肉材料24'ExtremeTextiles'ComeofAge

紐約時報2005年4月11日報道新的紡織時代的到來所說內(nèi)容本文多已提到請看一些照片25REHEATBEFOREUSINGWhenheated,carbonfibersturnpliable.ILCDoverInc.inDelawarehasdevelopedstructuresthatcanbefoldedbeforelaunchingandthenreheatedandunfoldedinspace.Themilitarywillusethetechnologyforaspace-basedradar,andNASAcoulduseitinthefutureforlargespacetelescopes.26BUILDINGWITHAIRTheArmy'sAirBeamisdesignedforeasilyerectedtemporarybuildingslikemedicalbuildingsandaircrafthangars."Youjustunrollit,inflateitandyourtentisstandingup,"saidJeanHampeloftheArmySoldierNatickCenter,whichisdevelopingthetechnology.AprototypeisbeingusedforamedicalaidcenterinIraq.27SOFTSWITCHInternationalFashionMachinesofSeattlehasmadealightswitchintheshapeofapompom.Conductivefibersdetectthepressofahand."WhatIdoismakefuzzy,beautiful,conductivethings,"saidDr.MargaretOrth,thecompany'sfounder."Youjustsqueezethepompom,andthelightsgoonoroff."Dr.Orthsaidsheexpectedherfabricswitchestoreachstoreslaterthisyear.28POLYMERSKINAprocesscalledelectrospinningmakesfibersoutofanelectricallychargedsolutioncontainingdissolvedpolymersandsticksthemontoanelectricallychargedsurface.Thefibersfallrandomlybutformauniformlayer,evenonathree-dimensionalsurface."It'ssortoflikespray-onGore-Tex,"saidDr.HeidiSchreuder-GibsonoftheArmyNatickSoldierCenter."It'sverybreathable,justlikeskin."29BODYENGINEERINGEmbroideredoutofsuturethread,thispieceoftextilewouldbesandwichedinanartificialshoulderjoint.Thestarburstshape,5.75incheswide,allowsthesurgeondifferentoptionsforsecuringthejointinplace30CARBONTOWERPeterTesta,anarchitectinSantaMonica,Calif.,hasdesigneda40-storyskyscraperthatwoulddoawaywithsteelforthestructure.Instead,Mr.Testa's"wovenbuilding,"showninamodelabove,wouldbeheldupbyacrosshatchedlatticemadeofcarbonfiber,whichisseveraltimesstrongerthansteel.Thebuilding'sinteriorwouldbecompletelyopenexceptfortheelevatorshafts.

31DESTINATIONMARSAcocoonof24airbagscushionedthelandingofNASA'sPathfinderroverin1997.TheairbagsconsistedoffourlayersofVectran,ahigh-strengthfiberthatisacousintoKevlarthatbecomesstrongeratcoldertemperatures.SimilarairbagssurroundedtheNASAroversSpiritandOpportunitywhentheylandedonMarslastyear32HOTHANDConductivefibersinthisprototypespacesuitgloveallowcircuitrytobewovenin.Thefibersaremoredurablethanwires

33Glass/PPCommingledYarnNylonWrappedCarbonRovingHybridYarnDevelopment

Useofhybridyarnsincombinationwithtextilepreformsenhancesthepotentialoftextilepreformcompositesinhighperformanceapplications.

Hybridyarnscanbemanufacturedthroughdifferentwaysincludingco-wrapping,corespinningandcommingling,aimingtogiveuniformdistributionofmatrixandreinforcementfibersaswellastoreducethedamageofreinforcingfibers.

Currentlyworkiscarriedoncomminglingandwrappedyarns.

34生物技術在制備纖維上，有兩種考慮：生物可降解，分解為水和CO2，參加自然界的大循環(huán)。原料來自生物體，不耗用燃料資源，利用太陽能，將CO2和水由葉綠素來合成高分子或高分子原料，典型的例子是：Lyocell和Ingeo，將詳細介紹仿生技術：這是更新一代的技術，其實早就開始了，棉（中空），麻、絲（異形），毛（復合）?，F(xiàn)在在更高層次上仿生。35玉米纖維36纖維材料開發(fā)的新思路天然可再生資源的利用,源源不絕、環(huán)境友好的概念多從自然界動植物中尋求靈感從事綠色材料、仿生材料的研究37美國新經(jīng)濟雜誌預言，

「仿生」是未來人類開創(chuàng)更美好新世界的八大科技之一！

自然界生物的各種奇妙功能：蜘蛛絲的強韌性；蜻蜓出色的飛行本領；蒼蠅的多種特殊功能；孔雀、蝴蝶美麗的翅膀；夜間活動型蛾（NightMoth）的眼

蜂巢奇妙的構造蟑螂靈敏的感知能力啄木鳥的腦殼有最緊密組織的抗震骨骼；

墨魚的瞬間加速可以達到每小時20哩；

蜂鳥飛行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量；

荷花葉面有絕佳的抗污性(self-cleaningproperties)和撥水性(waterrepellent)；生物的骨骼構造比鋼鐵強硬；自然生命世界蘊藏所有科技的奧秘與答案……。38蜻蜓出色的飛行本領飛行速度：150公里/小時飛行耐力：1000公里飛行之王?。?！39蠅眼的視覺功能複眼為許多單眼的結合，可使焦距大幅縮短350度的視角能看清快速移動物(紫外光）應用複眼機制，可製造出極薄的感知器、復眼相機等應用快速追蹤本領，可製造出飛機地速指示器40蟑螂靈敏的感知能力從感知風速到逃跑只需0.044秒，人類需要0.3秒尾肢可對2公分/秒的風做出反應可做微流速感知器41

建築功能42荷葉絕佳的抗污性和撥水性帝人開發(fā)的MicroftLectuce織物，模仿了荷葉的撥水作用43仿天然纖維絲：光澤絲鳴←異形縱向凹陷棉：保暖性等←中空毛：卷曲彈性←并列型組分（正皮質(zhì)、副皮質(zhì)細胞）麻：涼爽←扁平44成功在失敗之后蜘蛛絲研究過程45仿蜘蛛絲研究背景蜘蛛牽引絲力學性能優(yōu)良，被譽為“生物鋼”

i強度高、彈性好、初始模量大、斷裂功大

ii比強度是鋼的5倍，韌性是Kevlar的3倍

ⅲ它是一種以蛋白質(zhì)為基質(zhì)的高強材料，集高強、高韌、輕質(zhì)、可生物降解等優(yōu)點于一身蜘蛛牽引絲的用途

在防彈衣、微型手術縫合線、航空材料、復合材料等領域有著巨大潛在的用途。

46

奇妙的蜘蛛絲47蜘蛛絲和蠶絲之優(yōu)異的力學性能材料伸長率（%）初始模量（N/m2)強度（N/m2）

斷裂功（J/Kg）

蜘蛛

牽引絲9.8~32.1(1~30)×109

1×109

1×105

家蠶絲15~355×109

6×108

7×104

尼龍18~263×109

5×108

8×104

棉5.6~7.1(6~11)×109

(3~7)×108

(5~15)×103

鋼8.02×1011

1×109

5×103

凱夫拉4.01×1011

4×109

3×104

橡膠1×106

8×104

Ref:

VollrathF.,StrengthandStructureofSpiders’Silks,ReviewsinMolecularBiotechnology,2000,74:67-83

48蜘蛛和蠶之合理的紡絲技術常溫常壓水溶液高濃度液晶紡節(jié)能、經(jīng)濟環(huán)保高效耗能小、產(chǎn)品高性能歷經(jīng)數(shù)億年演化49蜘蛛絲仿生紡絲的關鍵技術12蜘蛛絲蛋白的制備紡絲過程的仿生利用轉(zhuǎn)基因技術，將蜘蛛的相關基因轉(zhuǎn)移到細菌、植物體、哺乳動物的乳腺上皮或腎細胞中，進行表達，生成蜘蛛絲蛋白質(zhì)，并進行提純蜘蛛所用的“紡絲液”是水作溶劑?！凹徑z”前，“紡絲液”在絲腺內(nèi)呈液晶態(tài)，并以α晶型為主。在其成絲流動過程中，α結構向β反向平行折疊結構轉(zhuǎn)變并且絲條從水中分相出來，絲條一旦形成了β反平行結構就不再溶于水。50國外的研究重點——

蜘蛛絲蛋白的制備轉(zhuǎn)基因技術轉(zhuǎn)基因動物:山羊(NexiaCANADA)轉(zhuǎn)基因植物:煙草,土豆細菌,酵母成功獲得重組蜘蛛絲蛋白51紡絲技術同樣非常重要人造蜘蛛絲的紡絲研究現(xiàn)狀必須模仿蜘蛛的干法成絲過程我們的觀點天然蜘蛛絲蛋白六氟異丙醇甲酸鹽溶液重組蜘蛛絲蛋白水濕紡濕紡52吐絲口壓絲部共通管后區(qū)中區(qū)前區(qū)后部絲腺中部絲腺＊合成絲素＊彎彎曲曲的細管＊分子形態(tài)：Silk

I＊無規(guī)卷曲、α螺旋＊溶液狀態(tài)：凝膠＊蛋白質(zhì)濃度：12~15%＊粘度：中＊無光學活性＊高的含水量＊合成絲膠,水分流失＊較粗＊分子形態(tài)：Silk

I＊無規(guī)卷曲、α螺旋＊溶液狀態(tài):凝膠→凝膠→溶膠＊蛋白質(zhì)濃度：25%＊粘度：高→高→中等＊微雙折射＊水分流失,離子交換，

pH下降，粘度減少。＊逐漸變細，象一個圓錐形的噴絲頭＊無規(guī)卷曲、少量β結構＊溶液狀態(tài)：溶膠→向列型液晶＊蛋白質(zhì)濃度：30%＊粘度：低吐絲管

＊SilkII＊60%水流失＊反平行β結構直徑:2.0→2.5→1.2mm剪切速率:0.006→0.003→0.03/spH:5.6→5.2→5.0直徑:0.05-0.3mm剪切速率:2-400/s(400-2000/s)pH:4.8

前部絲腺直徑:0.4-0.8mm剪切速率:/spH:6.9蠶的成絲流程示意圖調(diào)整Ca2+、Mg2+、K+等濃度濃度漸高、pH值漸小、β-折疊構象漸多無規(guī)卷曲53眾多因素協(xié)同作用高粘度可紡RSF凝膠狀液體低粘度不可紡RSF溶液協(xié)同作用后，溶液（2）表觀粘度提高數(shù)個數(shù)量級54FutureApplicationsSpidersilkcanimproveorreplaceexistingmaterials,ieKevlarorcompositeingredientsSuperstrongpartsStrandofspidersilkpencilthickcanstopaBoeing747(Ref.4)55蜘蛛七種分泌腺體56蜘蛛的噴絲頭57SilkExcretionWhenthesilkproteinsreachthespinneretsthesilkproteinshavehardenedfromtheirpreviousliquidform.Thecrystallinestructureoftheproteinshavealignedthemselvestocreatethesilkstructure.Thefinalproductisastrongflexibleproteinstandspunatambienttemperatureandpressurefromasmallyetintricatesystemofglands.Spinneretsexcretingsilk(Ref.1)58ASpiderAssemblyline(cont.)Silkreleasingtubes.59圓蛛屬7種絲腺體產(chǎn)生的絲及其功能絲腺名絲名及其功能大囊狀腺牽引絲、放射狀絲、構成網(wǎng)骨架的框絲小囊狀腺牽引絲、螺旋框絲（非粘性）管狀腺包卵的卵繭絲鞭毛狀腺網(wǎng)的橫絲梨狀腺附著盤葡萄狀腺捕獲絲等集合狀腺橫絲表面的粘性物質(zhì)60再生蠶絲蛋白質(zhì)水溶液中

蠶絲蛋白質(zhì)分子結構轉(zhuǎn)變的影響因素時間濃度剪切作用拉伸作用PH金屬離子溫度61蜘蛛絲與蠶絲的氨基酸組成氨基酸蠶絲蜘蛛絲甘氨酸42.937.1丙氨酸30.021.1絲氨酸12.24.5酪氨酸4.8—天門冬氨酸/天門酰氨酸1.92.5精氨酸0.57.6組氨酸0.20.5谷氨酸/谷氨酸鹽1.49.2賴氨酸0.40.5纈氨酸2.51.8亮氨酸0.63.8異亮氨酸0.60.9苯丙氨酸0.70.7脯氨酸0.54.3蘇氨酸0.91.7蛋氨酸0.10.4半光氨酸痕量0.3色氨酸—2.962蠶絲蛋白的纖維化類似蜘蛛絲，蠶絲形成過程中是絲素蛋白由α螺旋結構向β-折疊結構變化的過程絲素分子發(fā)生取向和結晶化

纖維化后的絲素蛋白質(zhì)難溶于水

由光學各向同性向各向異性轉(zhuǎn)化63

家蠶在不同的人為吐絲速度下形成的蠶絲的力學性能及結構參數(shù)比較吐絲速度(cms-1)吐絲口剪切速率（s-1）纖度(dtex)斷裂伸長（％）強度（GPa）初始模量（N/m2）×10-9斷裂能（Jkg-1）×10-5雙折射△n*紅外結晶指數(shù)**0.5113.61.8938.60.3603.220.8120.02130.3721.0227.32.7937.20.4013.580.8010.02510.5171.5340.92.4734.80.4183.640.8950.02910.5152.1477