蜘蛛丝

對於美洲圓網蜘蛛，其絲腺中蛋白質以 液態形式存在，相對分子量約為30000u， 呈現液晶態(liquid crystal state)。當蜘蛛 絲從吐絲器中拉出時，同時進一步聚合， 發生固化(solidification)，相對分子量升 至200000~300000u。 蜘蛛絲由絲芯蛋白(fibroine)構成，外圍 包覆一層硬皮。

蜘蛛絲結構模型：由柔韌的蛋白質分子 鏈組成的非晶區，經由一定硬度的棒狀 微粒晶體所增強，這些晶體由具疏水性 的聚丙氨酸排列形成氫鍵連接的β摺疊 片層，摺疊片層分子相互平行排列。甘 氨酸富集的聚肽鏈組成了蜘蛛絲蛋白無 定形區，無定形區的聚肽鏈間透過氫鍵 交連，組成似橡膠分子的網狀結構
2.2.5 型態結構
Kevlar chemical synthesis
It has no melting point but decomposes at temperatures above 400° C. When Kevlar is spun, the resulting fiber has a tensile strength of about 3,620 MPa, and a relative density of 1.44. The polymer owes its high strength to the many inter-chain bonds. Additional strength is derived from aromatic stacking interactions between adjacent strands.
Dyneema

Dyneema 是超高分子量聚乙烯纖維 （Ultra high molecular weight polyethylene），一般的聚乙烯材料其平 均分子量為2到30萬之間，而超高分子 量聚乙烯纖維其分子量則高達1至6百萬， 其單位質量的抗張強度約為鋼鐵的十五 倍。

超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）平均 分子量約35萬～800萬，因分子量高而 具有其它塑料無可比擬的優異的耐衝擊 、耐磨損、自潤滑性、耐化學腐蝕等性 能。 而且，超高分子量聚乙烯（ UHMW-PE）耐低溫性能優異，在-40℃ 時仍具有較高的衝擊強度，甚至可在269℃下使用。

蜘蛛絲既有強度又有韌性，兼有Kevlar 和Nylon的優點。比模量優於鋼。 作為優異的能量吸收纖維，可當降落傘、 防彈衣

聚醯胺類高強力纖維
優點 (1) 強度高，耐衝擊性好。 (2) 彈性好，耐疲勞性好。 (3) 耐磨性特別好，優於其他一切纖維 。 (4) 耐腐蝕性能，不發黴，不怕蛀，耐 鹼但不耐酸和氧化劑。 (5) 相對密度小，是纖維中最輕的。

蜘蛛絲蛋白質
甘氨酸 glycine
丙氨酸 alanine
谷氨酸
亮氨酸
精氨酸 酪氨酸
絲氨酸

蜘蛛絲酸性氨基酸為天門冬氨酸，谷氨 酸，絲氨酸和蘇氨酸
天門冬氨酸
谷氨酸
蘇氨酸

鹼性氨基酸為賴氨酸，精氨酸和組氨酸
賴氨酸
精氨酸
組氨酸
極性氨基酸的多少直接影響到氨基酸的 化學性質和分子構象結構 含量較大的極性基因組份為谷氨酸(大 於10%)，脯氨酸(約10%)，絲氨酸(約 5%)
PA6 (Polyamide 6, 聚醯胺6) mp 215-220°
Kevlar

此種纖維成份是芳香族聚醯胺 （Aromatic polyamide），Kevlar的化學 構造為聚對苯二甲酸對苯醯胺（po1y pphenylene terephthalamide，PPTA）是 由對苯二胺（p-phenylene diamine）與 對苯二醯氯（Telephthalloyl chloride） 脫鹽酸反應聚合而成。其單位質量的強 度是鋼絲的5倍。
凝膠擠出法製備多孔膜

將超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）溶 解在揮發溶劑中，連續擠出，然後經一 個熱可逆凝膠/結晶過程，使其成為一 種濕潤的凝膠膜，蒸除溶劑使膜乾燥。 由於已形成的骨架結構限制了凝膠的收 縮，在乾燥過程中產生微孔，經雙軸拉 伸達到最大空隙率而不破壞完整的多孔 結構。

與其它工程塑料相比，超高分子量聚乙 烯（UHMW-PE）具有表面硬度和熱變 形溫度低、彎曲強度以及蠕變性能較差 等缺點。這是由於超高分子量聚乙烯（ UHMW-PE）的分子結構和分子聚集形 態造成的，可通過填充和交聯的方法加 以改善。
蜘蛛絲結晶結構中，蛋白多肽鏈的一級 結構為GGXaa與聚丙氨酸的重複，甘氨 酸(G,glycine)佔42%，丙氨酸(A,alanine) 含量約25%，GGXaa構成多肽鏈中的β 摺疊片狀，此摺疊區形成了擬結晶區。 蜘蛛絲具有三相模型，具有高取向度的 晶相、無定形相及較低取向度和部份取 向度的相共存於蜘蛛絲奈米纖維中。

蜘蛛絲是一種奈米級微晶體的增強複合 材料，佔纖維總質量的10%左右。是分 散在蜘蛛絲無定形蛋白質中的增強填料 由於蜘蛛絲的晶粒(grain)很小，以致當 絲在外界拉力作用下，隨著似橡膠的無 定形區域的取向，蜘蛛絲晶體取向度也 隨之增加。

當纖維拉伸為 10%時，纖維 結晶度不變， 結晶取向增加。 橫向晶體尺寸 減小。

當此液晶溶液從模頭壓出時，溶液的剪 切應力使得液晶微區朝向纖維軸的方向 配列，即在紡絲過程溶液從模頭孔通過 時，微區的回轉與再配列，使得紡絲具 有高度的結晶性。此種分子鏈的高度方 向性配列可使纖維產生高強度與高剛性 的特徵。

聚合體大分子在向列型液晶中呈現單一 方向之有秩序結構，其流動變形單元是 適當配向之分子集團，因此當紡絲液從 噴絲孔噴出後，此種已有結構配向之液 流，借助於噴出速度與捲取間之高牽伸 倍率和低溫凝結，可直接賦予纖維高配 向度和伸直鏈結晶而不須經後拉伸就能 製得高強力及高模數纖維之方法。



蜘蛛絲是由不同分子鏈節(氨基酸單元)組成 的嵌段共聚物(co-polymer)
YGGLGSQGAGRGGLGGQGAGAAAAAAAGGAGQGG
β摺疊晶體 第一段多肽 第二段多肽
2.2.4
蜘蛛絲結晶度(Crystallinity)比蠶絲的結 晶度小，約10~15%，蠶絲結晶度約 50~60%。 蜘蛛絲力學性能來自於其鏈狀分子的結 構特殊取向和結晶結構 蜘蛛絲是一種奈米級微晶體的Βιβλιοθήκη Baidu強複合 材料，佔纖維總質量的10%左右。
蜘蛛絲為圓形斷面，斷裂面外層和內層 為結構一致的材料，蜘蛛絲為無絲膠纖 維。 當纖維彎曲曲率達纖維直徑的數量級時 ，纖維在彎曲部分的表面應力大約為最 大應力值上限的40%，這時纖維彎曲內 外徑尚未發現破壞現象，相同狀態下， 聚乙烯纖維、克維拉與碳纖維無法達到 的。


Application

除了橡膠補強材外，其他產業如繩索／ 電纜、帆布、防彈衣、石綿替 代 ( 摩擦材、煞車墊片 )、土木／建築 補強材 ( 鋼筋替代、帷幕、管件 )

有別於一般的高分子溶液是以無規則線圈 （Random coi1s）存在，PPTA分子鏈本身 為剛直棒狀（Rigid rods）鏈構造，縱使在 溶液中分子鏈仍然保持相同的剛直性。這 種剛直的棒狀鏈在稀薄溶液中是無秩序的 排列（Random rods），當此高分子溶液 增高至某一程度時，成束高分子鏈凝集成 有秩序的微區（Domain），即如棒狀液晶 排列（Rods in liquid crystalline arrays）， 雖然每一個微區相具有方向性，

[
N H
(CH2)6
N H
C O
(CH2)4
C O
]
PA66 (Polyamide 6,6 聚醯胺66) mp 255-260°
[ N H (CH2)4 N H C O (CH2)4 C O ]
PA46 (Polyamide 4,6 聚醯胺46) mp 283-319°
[ N H (CH2)5 C O ]
2.2.2 蜘蛛絲蛋白質
蜘蛛絲主要成分為蛋白質(protein)，組成長 鏈蛋白質的單元為帶不同側鏈R的醯胺 (amide)結構。 具有小側鏈的氨基酸，如甘氨酸(glycine)和丙 氨酸(alanine)的含量豐富，較大含量的7種氨 基酸含量佔總量的90%，分別為甘氨酸(42%) 、丙氨酸(25%)、谷氨酸(glutamine, 10%)、亮 氨酸(leucine, 4%)、精氨酸(arginine, 4%)、酪氨 酸(tyrosine, 3%)和絲氨酸(serine, 3%)。 丙氨酸是蜘蛛絲的結晶區主要成分，蠶絲的 結晶區主要成分為甘氨酸和丙氨酸。
蜘蛛絲
天然生物材料中，結構蛋白是一重要類 別 膠原纖維(collagen fiber) 蠶絲(silk) 蜘蛛絲 具強韌性(flexibility)，功能適用性與自 癒合性(self healing)

蜘蛛絲是由吐絲器上的絲腺(silk gland) 拉出的，絲蛋白質拉伸的過程用蜘蛛的 某條腿牽引絲而完成 化學纖維紡製時從毛細管中擠壓出紡絲 液的加工方式

由於超高分子量聚乙烯（UHMW-PE） 熔融狀態的粘度高達108Pa*s，流動性 極差，其熔體指數幾乎為零，所以很難 用一般的機械加工方法進行加工。
凝膠紡絲

溶解超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）於適當 的溶劑中，製成半稀溶液，經噴絲孔擠出， 然後以空氣或水驟冷紡絲溶液，將其凝固成 凝膠原絲。 在凝膠原絲中，幾乎所有的溶劑 被包含其中，因此超高分子量聚乙烯（ UHMW-PE）大分子鏈的解纏狀態被很好地保 持下來，而且溶液溫度的下降，導致凝膠體 中超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）折疊鏈片 晶的形成。 這樣，通過超倍熱拉伸凝膠原絲 可使大分子鏈充分取向和高度結晶 ，進而使 呈折疊鏈的大分子轉變為伸直鏈，從而製得 高強度、高模量纖維。