蜘蛛丝与蚕丝的比较研究

蜘蛛丝与蚕丝的比较研究

王来力

（上海 东华大学 200051）

[摘 要]：从形态结构、物理性能、力学性能、热学性能及成丝机理等几个方面对蜘蛛丝和蚕丝进行了对比分析，指出了蜘蛛丝与蚕丝的异同点，介绍了人造蜘蛛丝的发展趋势和应用前景。[关键词]：蜘蛛丝；蚕丝；结构；性能；比较

1．引言

蚕丝发源于我国，到现在已有六千多年的历史。蚕丝是高档纺织原料，具有强伸度好、细而柔软、富有弹性、光泽好、吸湿性好等优点，被誉为“纤维皇后”，蚕丝织物广泛应用于人们的日常生活，在工业及国防上也有重要的用途[1]。蜘蛛丝作为另一种蛋白质纤维，从上世纪90年代开始成为新材料的研究热点。蜘蛛丝具有高强度、高韧性、高弹性和良好的耐热性能，被称为“生物钢”，在军事、航空航天以及医疗等方面具有很大的应用潜力[2]。本文结合国内外的文献资料，对蜘蛛丝和蚕丝进行了多方面的比较研究，指出了二者的异同之处。

2．蜘蛛丝与蚕丝的形态结构比较

纤维的形态结构在很大程度上决定纤维的性能，蜘蛛丝与蚕丝在力学性能、机械性能方面存在较大的差异，必然是由二者形态结构的不同引起的。

蜘蛛丝是具有多级结构的蛋白质纤维，外观呈金黄色，透明，横截面为圆形，具有皮芯层结构，芯层内含有数十根纳米级的微纤维。蜘蛛丝纤维直径平均为6.9µｍ，大约为蚕丝的一半，体积重量为1.34g/cm3。蜘蛛丝蛋白质是由各种氨基酸组成的多肽链按照一定方式组合而成的，其中的氨基酸主要以甘氨酸和丙氨酸为主，约占总量的70%，其他为丝氨酸、谷氨酸、亮氨酸等[3]。

蚕丝纤维多为白色或乳白色，主要由丝素和丝胶两部分组成，里面为两根平行的丝素，外面包裹着丝胶，其他物质为蜡质、色素和无机物等。蚕丝纤维横截面呈半椭圆形或略呈三角形，单根丝素截面呈三角形。蚕丝纤维的蛋白质是由一条长链和一条短链构成的亚单位结构，长链主要由甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸等组成，短链含有较多疏松残基的氨基酸[4]。蜘蛛丝和蚕丝的氨基酸含量对比如表1所示。

[5]～[6]

3．蜘蛛丝与蚕丝的性能比较 3.1 物理性能比较

蜘蛛丝与蚕丝都有较好的光泽度，蜘蛛丝属于轻质纤维，其中牵引丝的体积质量与蚕丝相近，但包卵丝体积质量较小，蜘蛛丝的吸湿性能优于蚕丝。二者的物理性能比较见表2。

表2 蜘蛛丝与蚕丝的物理性能比较[7]

3.2 力学性能比较

蜘蛛丝的结晶区域主要是散布的小侧基氨基酸，分子间以氢键组合，具有较大的分子间作用力，在宏观力学性能上的反应是具有较大的断裂伸长率。另外，蜘蛛丝非结晶区的特殊结构，使其具有较高的模量和良好的弹性。二者的力学性能比较如表3所示。

表3 蜘蛛丝和蚕丝的力学性能比较[8] 材料 断裂伸长率（%） 强度 （N/m 2） 韧度 （MJ/m 3

） 初始模量 （N/ m 2

） 断裂能（J/Kg） 蜘蛛丝 27 1×109 160 6×109 1×105

蚕丝

18

6×108

70

5×109

7×104

由表3可以看出，蜘蛛丝的力学性能指标高于蚕丝，这和蜘蛛丝的结构、成丝机理等是密切相关的。蜘蛛的腹部有很多腺体，每个腺体的功能也不相同，有的腺体分泌出牵引丝和框丝，有的则分泌出包卵丝等，在这几种丝的共同作用下，使蜘蛛丝具有较好的力学性能。

3.3热学性能比较

纤维的耐高温性能通过在高温条件下纤维保持自身物理机械性能的能力来表现出来，纤维的耐低温性能正好与此相反。在受到高温或低温作用时，纤维的强度会下降，下降程度因时间和纤维种类的不同而不同。另外，纤维的热稳定性也是衡量其热学性能的一个重要指标。

有实验表明，蜘蛛丝在-40℃时仍能保持其弹性，只有在更低的温度下才变硬，蜘蛛丝的这种特点明显优于蚕丝。热分析也表明，蜘蛛丝在200℃以下表现出热稳定性，在300℃以上才会变黄，而蚕丝在110℃以下的温度表现出热稳定性，140℃时就开始变黄[9]。

4．蜘蛛丝与蚕丝的成丝机理比较

蜘蛛丝是由腹部后端的近百个纺丝管牵引纺出的，丝蛋白在位于各个腺体尾部的特殊细胞内合成，然后被分泌到腺体的空腔内，此时的丝蛋白为液体形态。随后，丝蛋白进入一个狭窄的管子中，其中的多肽链开始排列。从尾部分泌出的“纺丝液”通过一个漏斗形的结构进入纺丝导管，大部分的纤维都在这一导管中形成。导管终端有一个阀门，丝蛋白在导管内被进一步处理后从吐丝口吐出[10]。

蚕的纺丝过程与蜘蛛有一定的相似之处，首先，它们都是在常温下进行的液晶纺丝；其次，二者都是由纺丝器官控制纤维的分子结构、粗细和性能；另外，二者都具有复合纺丝的特征，蜘蛛是由腺体分泌皮层和芯层物质，蚕是由腺体分泌丝素和丝胶。蜘蛛丝和蚕丝的纺丝过程都包括离子控制、液体延伸等过程[11]。

5．结语

经过以上比较可以看出，蜘蛛丝的力学性能、热学性能等都优于蚕丝，二者的纺丝机理基本上相同，所不同的是蚕丝可以大规模的获得，而蜘蛛丝的大规模获得具有很大的难度。随着科技的发展，人们利用转基因技术、人工合成技术等获得蛛丝蛋白，然后经过纺丝工艺得到人造蜘蛛丝，生产出的人造蜘蛛丝具有和天然蜘珠丝相近的性能。蜘蛛丝强度和韧度较高，可以用来制作防弹衣，用于军事；蜘蛛牵引丝具有促进伤口愈合的作用，在伤口包覆材料上具有广泛的应用价值。作为新型纤维，可以预期在不久的将来，人们将采用生产化学纤维的方法加工出仿蜘蛛丝的产品，使蜘蛛丝的应用价值得到最大的发挥。

参考文献

[1] 姚穆.纺织材料学(第二版)[M].北京:中国纺织出版社,2004.

[2] 刘庆生,段亚峰.蜘蛛丝的结构性能与研究现状[J].四川丝绸,2005,(2):16～18.

[3] 喻方莉.蜘蛛丝纺织品的研究与开发[J].国外纺织技术,2000,(11):5～7.

[4] 于伟东.纺织材料学[M].北京:中国纺织出版社,2006.

[5] 彭晓虹.蚕丝氨基酸的组成与功能[J].蚕桑茶叶通讯,2005,(3):21～23.

[6] 毛良,李盛贤等.蜘蛛丝蛋白的结构及其应用[J].生物技术,1999,9(6):38～41.

[7] 潘志娟,邱芯薇等.蜘蛛丝的物理性能研究[J].苏州大学学报(工科版),2003,2(1):18～21.

[8] 邢声远.纺织新材料及其识别[M].北京:中国纺织出版社,2005.

[9] 刘海洋,王伟霞等.蜘蛛丝研究与开发利用[J].产业用纺织品,2004,(2):7～10.

[10] 邵敬党.蜘蛛丝的性能特征分析[J].棉纺织技术,2005,33(11):13～17.

[11] 潘志娟,李春萍等.高性能蛋白质纤维蜘蛛丝的研究与应用(1)[J].丝绸,2004,(10):40～43.

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（上接第 59 页）

纺织厂工序多，机器多，但对工艺节能研究的较少，工艺节能大有潜力。如各机马达轮直径没有引起重视，实际上在工艺参数配置时一定要注意马达轮直径应小于马达转子直径，这样配置可以达到节电目的。

从理论上讲，不管是哪种机器，启动或正常运转中，所需要转矩是一定的，这样如放大马达轮直径，不变的转矩配大直径轮其扭矩是很大的，这样对电机输出转矩就会加大，而耗电增加。

五、照明用电。应积极推广节能灯照明，尤其是在厂房全封闭、24小时照明的新企业，更应考虑节能型照明灯具。

总之，节能工作涉及面广，繁琐复杂，潜力很大。目前能源成本在产品成本中占有一定比重，面对当前严峻的形势，能源管理工作更应该引起我们的重视。节能工作是群众性工作，只要依靠科技进步并加强管理，认认真真从细微处做起，就一定能见到实效。