1、现代纺织工艺理论 主讲教师：陈建勇教授主讲教师：陈建勇教授 祝成炎教授祝成炎教授教学思路和要求一、教学内容 1、纺织纤维原料 纤维的结构与性能 2、纤维成形加工 天然纤维和合成纤维的制备与改性 3、织物组织 4、织造加工二、教学形式和要求 课堂讲授和介绍重点和基本原理 介绍相关研究课题、研究思路、方法、新技术、新工艺等 课堂讨论 阅读参考文献三、考核方法 两部分内容的考核成绩相加 前半部分：读书报告 课堂独立作业四、教学参考书和刊物 纺织材料学、纤维化学与物理、高分子材料导论、功能高分子材料、高技术纤维、制丝化学、制丝学、化学纤维概论、纺织工艺学概论、纺纱原理、绢纺织、粘胶纤维、非织造布 *新
2、型纺织纱线(New Textile Yarns)刊物：纺织学报、东华大学学报（中、英文）各原纺织院校学报 合成纤维、棉纺织技术、丝绸、印染、针织工业、纺织高校基础科学学报、现代纺织技术、纺织导报、国外纺织技术、各地纺织丝绸类刊物等 TRJ JTI教学计划/教学日历教学日历表 现代纺织与人类文明现代纺织与人类文明 所属院校：浙江理工大学 主讲教师：陈建勇，祝成炎 2765 9 纺织工程是浙江理工大学的优势特色专业。本课程介绍纺织与人体健康、纺织与礼仪文化和纺织品贸易等相关知识，通过现代纺织在生命科学、航天航空、交通运输、工程建筑等领域的应用与发展，展望纺织科技进步对人类文明的贡献，以及纺织在保护
3、和改善人类生存环境、增强人类活动的安全防护等方面发挥的重要作用。课程的讲授深入浅出、通俗易懂。第一章 纺织原料第第 1 1 节节 纺织材料纺织材料纺织材料：纺织材料：研究纤维、纱线、织物及其半成品的结构、研究纤维、纱线、织物及其半成品的结构、性能，结构与性能的关系，及其与加工工艺的关系。性能，结构与性能的关系，及其与加工工艺的关系。主要有：主要有：服用纤维服用纤维 产业用纤维产业用纤维 装饰用、家用纤维装饰用、家用纤维一、基本概念基本名词术语 细度 Tex dtex 细度计算 公支 Nm 旦尼尔 D )()(1000cmgLgTexdtexTexLgD10999000短纤维短纤维 纱线纱线长纤
4、维长纤维 长丝纤维长丝纤维直径与细度的关系直径与细度的关系纤维的含水率与回潮率纤维的含水率与回潮率 纤维的种类 在中国纤维消费市场中，接近80%的纤维消费为化学纤维，而化学纤维中超过70%为涤纶纤维20132013年中国化纤产量达到年中国化纤产量达到4122万吨，同比增长7.9%万吨，占世界产量的万吨，占世界产量的57%57%，其中差别化纤，其中差别化纤维比例达到维比例达到55%55%2013 2013年我国聚酯纤维产量为年我国聚酯纤维产量为涤纶3341万吨，同比增长6.6%，占合成纤维总产量的，占合成纤维总产量的81%81%以上以上常规聚酯生产能力过剩，新产品开发能力较差，常规聚酯生产能力过
5、剩，新产品开发能力较差，聚酯纤维差别化和功能化是今后主要发展方向聚酯纤维差别化和功能化是今后主要发展方向 产量（万吨）产量（万吨）同比同比20122012全年全年增速增速化学纤维化学纤维4121.944121.947.90%7.90%11.20%人造纤维人造纤维390.41390.4117.07%17.07%32.43%其中：粘胶短纤其中：粘胶短纤292.95292.9520.73%20.73%31.95%粘胶长丝粘胶长丝21.5321.53-10.05%-10.05%4.37%合成纤维合成纤维3731.533731.537.02%7.02%9.43%其中：涤其中：涤 纶纶3340.64334
6、0.646.64%6.64%9.46%锦锦 纶纶211.28211.2812.44%12.44%15.03%腈腈 纶纶69.4369.430.43%0.43%-1.93%维维 纶纶10.0910.0915.83%15.83%47.83%丙丙 纶纶26.4326.43-3.02%-3.02%20.96%氨氨 纶纶38.9738.9727.31%27.31%16.29%2022-8-15纺织工程学科前沿专题讲座22表1 2013年化纤行业生产情况 化纤的差别化率是衡量一个国家纤维生产技术水平的重要标志化纤的差别化率是衡量一个国家纤维生产技术水平的重要标志之一。从上世纪之一。从上世纪8080年代开始
7、，我国化纤的差异化发展越走越快。年代开始，我国化纤的差异化发展越走越快。化纤的差异化已经成为创新的别样注解化纤的差异化已经成为创新的别样注解 我国化纤我国化纤“十二五十二五”规划提出，至规划提出，至20152015年全行业产品差别化率年全行业产品差别化率达到达到60%60%以上。差别化纤维总量超过以上。差别化纤维总量超过23402340万吨万吨来自中国化学纤维工业协会的一组统计数据表明，近两年我国来自中国化学纤维工业协会的一组统计数据表明，近两年我国化纤企业加强了差异化纤维改性和高档产品的开发，比如，新化纤企业加强了差异化纤维改性和高档产品的开发，比如，新一代一代聚酯聚酯（仿棉）纤维、新一代仿
8、真（功能性）纤维、原液着（仿棉）纤维、新一代仿真（功能性）纤维、原液着色纤维等差别化纤维迅速发展。色纤维等差别化纤维迅速发展。20132013年化纤产品差别化率达到年化纤产品差别化率达到55%55%，高档面料及制品用化纤自给率达到，高档面料及制品用化纤自给率达到82%82%，产业用化纤比例，产业用化纤比例达达27.8%27.8%业内人士认为，整体而言，我国目前化纤差别化率已经非常高业内人士认为，整体而言，我国目前化纤差别化率已经非常高了了,但是个别纤维的差别化还待加强，而且差别化的差别度不够但是个别纤维的差别化还待加强，而且差别化的差别度不够大，相似性较高大，相似性较高,企业还要在差别化纤维的
9、识别度上做文章企业还要在差别化纤维的识别度上做文章2022-8-15纺织工程学科前沿专题讲座23纤维的公定回潮率 纺织材料学纺织材料学 主要内容复习主要内容复习*二、纤维的结构1 1、材料概述、材料概述 为了便于阐述材料结构为了便于阐述材料结构性能性能用途的关系，用途的关系，通常把材料分成通常把材料分成金属材料金属材料、无机材料无机材料、高分子材高分子材料料和和复合材料复合材料四种类别。四种类别。复合材料2 2、高分子的一些概念、高分子的一些概念(1)(1)高分子的命名高分子的命名 聚合物和以聚合物为基础组分的高分子材料有三聚合物和以聚合物为基础组分的高分子材料有三组独立的名称组独立的名称:化
10、学名称化学名称 保护商品名称保护商品名称 习惯名称习惯名称 PET PET 聚对苯二甲酸乙二酯，聚酯聚对苯二甲酸乙二酯，聚酯 聚酯纤维聚酯纤维 涤纶，的确凉涤纶，的确凉 （2 2）分类）分类 根据主链结构，可将聚合物分为碳链、杂链根据主链结构，可将聚合物分为碳链、杂链和元素有机高分子三类。和元素有机高分子三类。按性能和用途分类，可将高分子材料分为橡胶、按性能和用途分类，可将高分子材料分为橡胶、纤维、塑料、粘合剂、涂料、功能高分子等不同类纤维、塑料、粘合剂、涂料、功能高分子等不同类别。别。3 3、高分子结构、高分子结构 高分子结构包括大分子本身的结构和大分子之高分子结构包括大分子本身的结构和大分
11、子之间的排列（聚集态结构）这两方面。间的排列（聚集态结构）这两方面。（1）、分子内结构（intra-structure）主要研究单个分子链中原子或基团的几何排列，即高主要研究单个分子链中原子或基团的几何排列，即高分子的链结构，又称一级结构（分子的链结构，又称一级结构（primary structureprimary structure）。高）。高分子链结构包含一次结构（或称近程结构，分子链结构包含一次结构（或称近程结构，short-range short-range structurestructure）和二次结构（或称远程结构，）和二次结构（或称远程结构，long distance long
12、 distance structure)structure)(2)(2)、分子间结构（、分子间结构（inter-structure）主要研究单位体积内许多分子链之间的几何排主要研究单位体积内许多分子链之间的几何排列，即高分子的聚集态结构（列，即高分子的聚集态结构（aggregationaggregation），或），或称超分子结构（称超分子结构（super molecular structuresuper molecular structure），），又称二级结构（又称二级结构（secondary structuresecondary structure），它包括），它包括三次结构和高次结构。
13、三次结构和高次结构。织态结构是高分子特有的属性。高分子在空间构型上织态结构是高分子特有的属性。高分子在空间构型上常是一个方向的长度大于其他两向长度好多倍。集合常是一个方向的长度大于其他两向长度好多倍。集合几个这样的大分子构成一个组织单元，既可能成为晶几个这样的大分子构成一个组织单元，既可能成为晶体，也可能是无定形区。大分子长度可以贯穿一个或体，也可能是无定形区。大分子长度可以贯穿一个或数个晶体组织和无定形区。连接多个分子的单元组织数个晶体组织和无定形区。连接多个分子的单元组织的集合体，称做超分子，又名织态结构。纤维的各种的集合体，称做超分子，又名织态结构。纤维的各种性质和特征，既和大分子的化学
14、结构有联系，也在较性质和特征，既和大分子的化学结构有联系，也在较大程度上和它的超分子结构有关。大程度上和它的超分子结构有关。高分子的一次结构包含高分子的高分子的一次结构包含高分子的组成组成和和构型构型，其研究限于一个大分子内一个结构单元或几个结构其研究限于一个大分子内一个结构单元或几个结构单元间的化学结构或者立体化学结构，故又称为近单元间的化学结构或者立体化学结构，故又称为近程结构（或化学结构）。程结构（或化学结构）。高分子的二次结构研究的是整个分子的大小和高分子的二次结构研究的是整个分子的大小和在空间的形态，即在空间的形态，即构象构象（conformation)conformation)。由
15、于单键。由于单键的内旋转及分子的无规热运动，一条高分子链可呈现的内旋转及分子的无规热运动，一条高分子链可呈现出各种各样的形状。出各种各样的形状。常见的稳定构象常见的稳定构象 高分子的高分子的聚集态聚集态结构，是指具有一定构象的高分子结构，是指具有一定构象的高分子链通过链通过范德华力范德华力或或氢键氢键的作用，聚集成一定规则排列的的作用，聚集成一定规则排列的情况。情况。由这些微观的结构向宏观结构过渡，成为由这些微观的结构向宏观结构过渡，成为晶态结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结晶态结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构构和织态结构。和织态结构。前四者是描述高分子聚集体中分子之间是如前四者是
16、描述高分子聚集体中分子之间是如何堆砌的，又称三次结构。何堆砌的，又称三次结构。聚集态结构对高分子材料性能的影响比一、聚集态结构对高分子材料性能的影响比一、二次结构的影响更为直接。二次结构的影响更为直接。结构状态结构状态氢键氢键氢原子与电负性大、半径小的原子X（氟、氧、氮等）以共价键结合，若与电负性大的原子Y（与X相同的也可以）接近，在X与Y之间以氢为媒介，生成X-HY形式的一种特殊的分子间相互作用，称为氢键。（X与Y可以是同一种类原子，如水分子之间的氢键）。2013年11月22日，中科院国家纳米科学中心宣布，该中心科研人员在国际上首次“拍”到氢键的“照片”，实现了氢键的实空间成像，为“氢键的本
17、质”这一化学界争论了80多年的问题提供了直观证据水分子的氢键 DNA中的氢键CAPDNA 复合物 4 4、聚合物的物理状态、聚合物的物理状态（1 1）聚集态和相态）聚集态和相态 相态相态是热力学概念。相的区别主要是根据结构学是热力学概念。相的区别主要是根据结构学来判别的。具体地说，相态决定于自由焓、温度、压来判别的。具体地说，相态决定于自由焓、温度、压力、体积等热力学参数，相之间的转变必定有热力学力、体积等热力学参数，相之间的转变必定有热力学参数的突跃变化。参数的突跃变化。聚集态聚集态是动力学概念，是根据物体对外场特别是是动力学概念，是根据物体对外场特别是外力场的响应特性来划分的，所以也称为力
18、学状态。外力场的响应特性来划分的，所以也称为力学状态。气相气相和和气态气态是一致的。是一致的。液态液态一般即为液态，但一般即为液态，但有时，力学状态为液态，结构上却划入晶态，如液有时，力学状态为液态，结构上却划入晶态，如液晶的情况。液相也不一定是液态，如玻璃的情况。晶的情况。液相也不一定是液态，如玻璃的情况。玻璃属于液相，但表现固体的性质。玻璃属于液相，但表现固体的性质。小分子的聚集态结构小分子的聚集态结构小分子的三个基本相态小分子的三个基本相态晶态晶态固体物质内部的质点既近程有序，又远程有固体物质内部的质点既近程有序，又远程有 序（三维）序（三维）液态液态物质质点只是近程有序，而远程无序物质
19、质点只是近程有序，而远程无序气态气态分子间的几何排列既近程无序，又远程无序分子间的几何排列既近程无序，又远程无序（2 2）非晶态聚合物的三种力学状态）非晶态聚合物的三种力学状态 聚合物无气相和气态。聚合物存在晶相和非晶聚合物无气相和气态。聚合物存在晶相和非晶相（无定形）两种相态，非晶态在热力学上可视为相（无定形）两种相态，非晶态在热力学上可视为液相。液相。非晶态聚合物力学三态：非晶态聚合物力学三态：玻璃态玻璃态 高弹态高弹态 TTTTg g （玻璃化温度）（玻璃化温度）粘流态粘流态 TTTTf f （粘流温度）（粘流温度）（3 3）结晶聚合物的力学状态）结晶聚合物的力学状态 结晶聚合物因存在一
20、定的非晶部分，因此也有结晶聚合物因存在一定的非晶部分，因此也有玻璃化转变。但由于结晶部分的存在，链段运动受玻璃化转变。但由于结晶部分的存在，链段运动受到限制，所以到限制，所以T Tg g以上，模量下降不大。以上，模量下降不大。T Tg g和和T Tm m之间不之间不出现高弹态。在熔点出现高弹态。在熔点T Tm m以上模量迅速下降。以上模量迅速下降。（4 4）取向与解取向）取向与解取向 在外力作用下，高分子链沿外力场方向舒在外力作用下，高分子链沿外力场方向舒展并有序排列的现象叫高分子的展并有序排列的现象叫高分子的取向取向（orientationorientation）；）；当外力消除之后，取向排
21、列的大分子又会当外力消除之后，取向排列的大分子又会自动回复到自由卷曲的状态，这种现象叫高分自动回复到自由卷曲的状态，这种现象叫高分子的子的解取向解取向（disorientationdisorientation）取向可分为单轴取向和双轴取向5、高分子聚合物的力学性能三、纤维的理化性能1 1、纤维使用性能的要求、纤维使用性能的要求 纺织纤维的使用性能按纺织产品的用途而有纺织纤维的使用性能按纺织产品的用途而有 不同的要求。不同的要求。纺织材料基本性能纺织材料基本性能棉、麻、丝、毛棉、麻、丝、毛四、蚕丝的结构和性能 1、蚕丝丝素蛋白的形成及形态蚕丝丝素蛋白的形成及形态 天然高分子蚕丝蛋白是一种驯养昆虫
22、蚕绢丝腺的天然高分子蚕丝蛋白是一种驯养昆虫蚕绢丝腺的分泌产物，家蚕属完全变态的昆虫，它在动物分类分泌产物，家蚕属完全变态的昆虫，它在动物分类学上的位置是：节肢动物门（学上的位置是：节肢动物门（ArthropodaArthropoda）昆虫纲）昆虫纲（InsectaInsecta）鳞翅目（）鳞翅目（LepidopteraLepidoptera）蛾亚目）蛾亚目（HeteroceraHeterocera）蚕蛾科（）蚕蛾科（BombycidaeBombycidae）蚕蛾属）蚕蛾属（BombyxBombyx）桑蚕种（）桑蚕种（morimori）。桑蚕的学名是）。桑蚕的学名是Bombyx Bombyx m
23、orimori。它的一生有四态它的一生有四态绢丝腺的形态绢丝腺的形态 根据各部位的根据各部位的位置一般将其分位置一般将其分为吐丝部、前部为吐丝部、前部丝腺、中部丝腺丝腺、中部丝腺和后部丝腺。和后部丝腺。后部丝腺长约后部丝腺长约200200250mm250mm，管径大约，管径大约0.40.40.8mm0.8mm。用透射电镜观察后部丝腺细胞内的高尔基。用透射电镜观察后部丝腺细胞内的高尔基体和丝素小球，存在着直径体和丝素小球，存在着直径14nm14nm的丝素原纤维和的丝素原纤维和直径约直径约0.20.20.7m 0.7m 丝素原纤维集合体，在后部丝素原纤维集合体，在后部丝腺的超薄切片中未发现丝胶粒子
24、，由此可以得丝腺的超薄切片中未发现丝胶粒子，由此可以得知，丝素蛋白由后部丝腺分泌。知，丝素蛋白由后部丝腺分泌。用透射电镜观察中部丝腺的超薄切片，可观用透射电镜观察中部丝腺的超薄切片，可观察到直径约为察到直径约为0.20.20.7m0.7m丝素原纤维集合体和丝素原纤维集合体和堆积在其周围的丝胶粒子。这说明中部丝腺分泌堆积在其周围的丝胶粒子。这说明中部丝腺分泌丝胶蛋白，同时中部丝腺又是丝素的通道，丝胶丝胶蛋白，同时中部丝腺又是丝素的通道，丝胶包覆在丝素外围。丝素分子在中部丝腺中逐步成包覆在丝素外围。丝素分子在中部丝腺中逐步成熟脱水，溶液浓度上升到熟脱水，溶液浓度上升到2525。中部丝腺全长约。中部
25、丝腺全长约为为606065mm65mm，管径大约，管径大约1.21.22.5mm2.5mm，有两弯而分，有两弯而分为三段，分别称为前区、中区、后区。为三段，分别称为前区、中区、后区。前部丝腺是液状绢丝的通道，不分泌液状丝素前部丝腺是液状绢丝的通道，不分泌液状丝素或丝胶，但丝素分子在这里进一步成熟脱水，浓度或丝胶，但丝素分子在这里进一步成熟脱水，浓度上升到上升到3030，处于液晶状态又有一定的取向性。前，处于液晶状态又有一定的取向性。前部丝腺管长约部丝腺管长约353545mm45mm，管径，管径0.050.050.3mm0.3mm。左右两。左右两侧的绢丝腺在吐丝部会合，使两侧绢丝腺中的液状侧的绢
26、丝腺在吐丝部会合，使两侧绢丝腺中的液状单纤维合成一股。吐丝时，熟蚕先吐出一滴液状绢单纤维合成一股。吐丝时，熟蚕先吐出一滴液状绢丝，然后靠头部的摆动将液状绢丝从吐丝部头上拉丝，然后靠头部的摆动将液状绢丝从吐丝部头上拉出来形成纤维，纺丝速度约为出来形成纤维，纺丝速度约为1.0cm/sec1.0cm/sec。蚕丝的纤维性能与家蚕吐丝的行为有关2002年，复旦大学教授邵正中发现蚕丝的力学性能受到家蚕吐丝行为的影响，当蚕丝连续不断地以4mm/S的速度被抽出来，其延展性略高于蜘蛛丝，当将蚕丝以13mm/S的速度抽出时，其断裂能接近与于蜘蛛丝。该研究成果发表在Nature杂志上。针对蚕丝的力学性能与家蚕吐丝
27、行为有关的问题，邵正中对此解释道：“从纤维的特点方面看，蚕丝和蜘蛛丝并没有本质的区别，都是一种蛋白纤维。蚕丝和蜘蛛丝纤维特性的差异主要是由纤维蛋白的二级结构或二级以上的结构差异造成的，而这种结构差异主要是由于家蚕和蜘蛛宏观吐丝行为的不同造成的。”“首先要弄明白的一点是无论蚕丝还是蜘蛛丝，其实是抽出来的，而不是吐出来的，了解了这一点对于理解蚕丝和蜘蛛丝的纤维差异与吐丝行为有关就变得非常容易。蜘蛛主腺体丝是在蜘蛛牵引的作用下连续不断的从丝腺中抽出来的，而蚕丝表面具有一层丝胶，丝胶具有黏性，家蚕通过头部八字形运动将蚕丝先固定在一点，然后把蚕丝从丝腺中抽出来粘在另外一点，如此反复运动从而结成圆形的茧。
28、由于家蚕头部运动方向和速度的变化，造成蚕丝纤维在粘结点位置的分子聚集态的不均一性。这一粘结点位置有可能成为蚕丝纤维中最脆弱的点，并且一根长纤维的蚕丝上具有无数个这样的点，这是影响天然蚕丝纤维性能最重要的原因。”“蚕丝被抽出来的速度差异影响到蚕丝蛋白的分子取向排列，从而造成不同的吐丝速度形成的蚕丝纤维性能不同。”营茧后形成的纤维称为茧丝，茧丝纤维由两根营茧后形成的纤维称为茧丝，茧丝纤维由两根单纤维经丝胶粘合而成，茧丝的纤维结构示意图单纤维经丝胶粘合而成，茧丝的纤维结构示意图 单纤维中丝素纤维的外围包覆着丝胶蛋白。茧单纤维中丝素纤维的外围包覆着丝胶蛋白。茧丝中丝素和丝胶各占丝中丝素和丝胶各占707
29、08080和和20203030，丝素，丝素与丝胶的比例因蚕的品种、饲养季节、产地等不与丝胶的比例因蚕的品种、饲养季节、产地等不同而有差异。茧丝中还含有少量其它组分，它们同而有差异。茧丝中还含有少量其它组分，它们是茧丝蜡是茧丝蜡0.40.40.8%0.8%，碳水化合物，碳水化合物1.21.21.6%1.6%，无，无机物约机物约0.7%0.7%。茧丝的截面呈不圆整的椭圆状，常。茧丝的截面呈不圆整的椭圆状，常规品种茧丝的截面面积约为规品种茧丝的截面面积约为9090170m170m2 2，长径，长径约约151517m17m，短径约，短径约111113m13m。关于茧丝纤维微细结构，现在人们的观察关于茧
30、丝纤维微细结构，现在人们的观察结果如下：茧丝由结果如下：茧丝由2 2根单丝（根单丝（BrinBrin）构成。单丝）构成。单丝的截面形状的截面形状8080以上为三角形，以上为三角形，7 71212为椭圆为椭圆形。形。1 1根单丝纤维由根单丝纤维由80080014001400根（也有根（也有20002000根根之说）之说）200200400nm400nm的的原纤原纤（FibrilFibril）构成，也）构成，也有宽度为有宽度为600600800nm800nm的扁平带状原纤，的扁平带状原纤，原纤原纤经经处 理 后 可 分 成处 理 后 可 分 成 4 04 0 6 0 n m6 0 n m 的的 微
31、 原 纤微 原 纤（Microfibril)Microfibril)。最近，最近，Putthanarat Putthanarat 和和EbyEby等用等用AFMAFM观察了茧观察了茧丝的样品，通过横向和轴向切片直接观察到丝的样品，通过横向和轴向切片直接观察到5050100nm100nm和和100100190nm190nm尺度大小的结构单元，可认尺度大小的结构单元，可认为这是为这是原纤原纤和和微原纤微原纤。作者还观察到这些基本的。作者还观察到这些基本的纤维单元并不是完全平行的。纤维单元并不是完全平行的。2 2、丝素蛋白的化学结构和性状、丝素蛋白的化学结构和性状（1 1）丝素蛋白的氨基酸组成）丝素
32、蛋白的氨基酸组成 现在人们已经清楚家蚕丝丝素蛋白由现在人们已经清楚家蚕丝丝素蛋白由1818种氨基酸组种氨基酸组成，用不同的测试方法得到的成，用不同的测试方法得到的1818种氨基酸的含量略有差种氨基酸的含量略有差异，具体参见表。表中第异，具体参见表。表中第1 1栏日本桐村二郎（栏日本桐村二郎（KirimuraKirimura）的数据是采用微生物定量法测得的，这组数据的得率为的数据是采用微生物定量法测得的，这组数据的得率为114.84g/100g114.84g/100g（丝素），故一般作为丝素蛋白氨基酸（丝素），故一般作为丝素蛋白氨基酸组分的代表性数据。组分的代表性数据。氨基酸氨基酸 COOH H
33、 C NH2 R 脯氨酸亮氨酸丙氨酸蛋白质的肽链蛋白质的肽链氨基酸的缩写符号氨基酸的缩写符号 名称名称 三字符号三字符号 单字符号单字符号 丙氨酸丙氨酸 Ala A Ala A 精氨酸精氨酸 Arg R Arg R 天冬氨酸天冬氨酸 Asp D Asp D 半胱氨酸半胱氨酸 Cys C Cys C 谷氨酰胺谷氨酰胺 Gln Q Gln Q 谷氨酸谷氨酸 Glu E Glu E 组氨酸组氨酸 His H His H 异亮氨酸异亮氨酸 Ile I Ile I 甘氨酸甘氨酸 Gly G天冬酰胺 AsnN亮氨酸LeuL赖氨酸LysK甲硫氨酸 MetM苯丙氨酸 PheF脯氨酸ProP丝氨酸SerS苏氨酸
34、ThrT色氨酸TrpW酪氨酸TyrY缬氨酸ValV 而后，其他学者一般都用氨基酸自动分析仪测而后，其他学者一般都用氨基酸自动分析仪测试，此种方法丝素蛋白用试，此种方法丝素蛋白用6M6M的的HClHCl水解，在强酸水水解，在强酸水解过程中色氨酸解过程中色氨酸(Try)(Try)、胱氨酸、胱氨酸(Cys)(Cys)会被破坏，会被破坏，需另行测定，且测定所得到的数据的得率均小于需另行测定，且测定所得到的数据的得率均小于桐村的数据。桐村的数据。表表1-2-11-2-1第第1 1，2 2，5 5栏的数据是对茧丝丝素蛋白栏的数据是对茧丝丝素蛋白分析结果，第分析结果，第3 3，4 4栏是从后部绢丝腺取出的液
35、状栏是从后部绢丝腺取出的液状绢分析结果，可见在茧丝纤维化过程中丝素蛋白绢分析结果，可见在茧丝纤维化过程中丝素蛋白的氨基酸没有大的变化。的氨基酸没有大的变化。不同产地、不同季节茧丝丝素蛋白的氨基酸不同产地、不同季节茧丝丝素蛋白的氨基酸含量也稍微有些差异，参见表含量也稍微有些差异，参见表1-2-21-2-2。表。表1-2-21-2-2的的数据是用数据是用Hitachi835-50Hitachi835-50型氨基酸自动分析仪测型氨基酸自动分析仪测得（按得（按YamadaYamada对家蚕丝素提出的最佳分离条件），对家蚕丝素提出的最佳分离条件），其中，色氨酸其中，色氨酸(Try)(Try)、胱氨酸、胱
36、氨酸(Cys)(Cys)用化学法测定。用化学法测定。丝素蛋白组成中，小侧链氨基酸乙氨酸丝素蛋白组成中，小侧链氨基酸乙氨酸(Gly)(Gly)、丙氨酸、丙氨酸(Ala)(Ala)、丝氨酸、丝氨酸(Ser)(Ser)的含量占氨的含量占氨基酸总量的基酸总量的8585以上。以上。作为天然高分子，丝素蛋白的分子量较大。有关作为天然高分子，丝素蛋白的分子量较大。有关丝素蛋白分子量测定的文献数据较多，早年用一些物丝素蛋白分子量测定的文献数据较多，早年用一些物理方法测得的数据在理方法测得的数据在1.61.610104 41000100010104 4；用；用N-N-末端末端氨基酸定量法得到的为氨基酸定量法得到
37、的为20.020.010104 430.030.010104 4 ；用十；用十二烷基硫酸钠二烷基硫酸钠(S.D.S)(S.D.S)的聚丙烯酰胺凝胶电泳测得的的聚丙烯酰胺凝胶电泳测得的茧丝丝素蛋白的分子量主要为茧丝丝素蛋白的分子量主要为323210104 4454510104 4 ，另，另外还有一些外还有一些1.01.010104 410.010.010104 4 的分子量较小的蛋的分子量较小的蛋白。白。（2）丝素蛋白的分子量 从家蚕后部绢丝腺中取出的液状丝素蛋白的从家蚕后部绢丝腺中取出的液状丝素蛋白的分子量的测定结果也与茧丝丝素蛋白的测定结果分子量的测定结果也与茧丝丝素蛋白的测定结果相类似；由
38、相类似；由mRNAmRNA所转录的丝素蛋白的分子量约为所转录的丝素蛋白的分子量约为40.040.010104 442.842.810104 4 。可见，近期较多学者。可见，近期较多学者的实验结果表明丝素蛋白的分子量约为的实验结果表明丝素蛋白的分子量约为（37.037.05.05.0）10104 4。（3）丝素蛋白的化学结构 根据丝素蛋白的分子量（根据丝素蛋白的分子量（37.037.05.05.0）10104 4，如果它是如果它是1 1根蛋白肽链似乎显得过大。为此，一根蛋白肽链似乎显得过大。为此，一些学者提出了丝素蛋白含有亚单位（些学者提出了丝素蛋白含有亚单位（SubunitSubunit）结构
39、的观点，亚单位之间靠二硫键结合。大亚基结构的观点，亚单位之间靠二硫键结合。大亚基称为称为H H链（链（Heavy chainHeavy chain），小亚基称为），小亚基称为L L链链（Light chainLight chain）。）。关于亚基的数目，有几种说法：如日本佐佐关于亚基的数目，有几种说法：如日本佐佐木（木（SasakiSasaki）提出丝素蛋白由）提出丝素蛋白由1 1个分子量为个分子量为2828万万的的H H链与链与3 3个分子量为个分子量为2.52.5万的万的L L链结合而成的链结合而成的HL3HL3模型，日本志村（模型，日本志村（ShimuraShimura）提出了由）提出了
40、由1 1个分子量个分子量为为3535万的万的H H链与链与1 1个分子量为个分子量为2.582.58万的万的L L链相结合链相结合的的HLHL模型。有人认为除了模型。有人认为除了H H链和链和L L链之外，还有链之外，还有P25P25蛋白（分子量为蛋白（分子量为2525万的蛋白），万的蛋白），P25P25蛋白与蛋白与H H链之间没有共价结合，它可能是茧丝丝素蛋白的链之间没有共价结合，它可能是茧丝丝素蛋白的微量成分。微量成分。从蚕后部丝腺提取的丝素中测定得到的各亚基从蚕后部丝腺提取的丝素中测定得到的各亚基氨基酸组成如表氨基酸组成如表1-2-31-2-3所示所示 从表从表1-2-31-2-3可见，
41、可见，H H链中链中GlyGly、AlaAla、SerSer等等3 3种种小侧链氨基酸合计超过小侧链氨基酸合计超过9090，是典型的，是典型的FibroinFibroin型肽；型肽；L L链中链中AlaAla、AspAsp的含量大于的含量大于GlyGly，与传统的，与传统的FibroinFibroin型肽完全不同，且酸性氨基酸型肽完全不同，且酸性氨基酸AspAsp、GluGlu和碱性氨基酸和碱性氨基酸ArgArg、HisHis的含量远大于在的含量远大于在H H链的同链的同种氨基酸。种氨基酸。H H链的一级结构现已大致明了，链的一级结构现已大致明了，H H链约含链约含50005000个氨基酸，分
42、子量个氨基酸，分子量3535万。万。较早的模型:60个氨基酸残基，30个 8个，4个 一条H链由22个这样的重复单元构成 下面以图下面以图1-2-11-2-1为例，结合为例，结合cDNAcDNA的碱基序列的碱基序列测定结果加以说明。除去蛋白的测定结果加以说明。除去蛋白的N N、C C末端附近末端附近区域，区域，H H链的主要部分是由结晶区段链的主要部分是由结晶区段a a和非结晶和非结晶区段区段b b交互排列构成。交互排列构成。a a区段由单位肽区段由单位肽GlyGly、AlaAla、GlyGly、AlaAla、GlyGly、SerSer高度重复构成，即，高度重复构成，即，一般呈n2的模式。mn
43、GlyAlaGlySer B B区段由区段由1010个氨基酸残基组成的单位肽个氨基酸残基组成的单位肽GlyGly、AlaAla、GlyGly、TyrTyr、GlyGly、AlaAla、GlyGly、AlaAla、GlyGly、ValVal重复构成，也曾发现这个单位肽的氨基酸残基中重复构成，也曾发现这个单位肽的氨基酸残基中有缺失有缺失。a a区段和区段和b b区段内上述单位肽的重复数不均一。区段内上述单位肽的重复数不均一。a a区段和区段和b b区段又构成新的重复单元区段又构成新的重复单元RR，形成第二级，形成第二级重复结构。一个重复结构。一个RR单元和另一个单元和另一个RR单元的连接区单元的连
44、接区段段CC由由6 6个氨基酸序列个氨基酸序列GlyGly、SerSer、GlyGly、ValVal、GlyGly、SerSer组成，这个序列全区域都有。这样高度重复的组成，这个序列全区域都有。这样高度重复的结构组成约含结构组成约含350350500500个氨基酸残基的单位个氨基酸残基的单位RR，相邻的两个相邻的两个RR由无定形区段由无定形区段CC连接，形成第三级连接，形成第三级重复结构。重复结构。CC的氨基酸残基数约有的氨基酸残基数约有20203030个，其氨基酸组个，其氨基酸组成与重复结构成与重复结构RR大不相同，它含有大不相同，它含有AsnAsn、AspAsp、GluGlu、LysLys
45、、PhePhe、ThrThr、TrpTrp等其它部位不存在的氨基酸，等其它部位不存在的氨基酸，即丝素蛋白中的酸性和碱性氨基酸残基集中在分子即丝素蛋白中的酸性和碱性氨基酸残基集中在分子链的无定形区段。链的无定形区段。H H链的链的N N和和C C末端附近的结构，显示与高度规则结末端附近的结构，显示与高度规则结构相异的特异氨基酸序列。构相异的特异氨基酸序列。N N末端末端151151个氨基酸残基个氨基酸残基组成非组成非FibroinFibroin型肽，这部分富含疏水性氨基酸；型肽，这部分富含疏水性氨基酸；C C末端的末端的4242个氨基酸残基组成也和个氨基酸残基组成也和FibroinFibroin
46、型肽不同，型肽不同，富含碱性氨基酸，特别是富含碱性氨基酸，特别是C C末端含有末端含有3 3个个CysCys残基，残基，即即C C末端起第末端起第4 4个氨基酸残基个氨基酸残基C4C4、第、第2020个氨基酸残基个氨基酸残基C20C20是是CysCys，前，前2 2个个CysCys残基之间产生分子内二硫键结残基之间产生分子内二硫键结合，合，C20C20的的CysCys残基很可能与残基很可能与L L链的结合有关。链的结合有关。日本山口（日本山口（YamakuchiYamakuchi）根据）根据L L链的链的cDNAcDNA碱基序碱基序列和列和L L链经胰凝乳蛋白酶解的肽的氨基酸序列测定链经胰凝乳
47、蛋白酶解的肽的氨基酸序列测定结果，确定了结果，确定了L L链的一级结构。链的一级结构。L L链含有链含有244244个氨基个氨基酸，分子量酸，分子量2580025800。L L链的链的N N末端的末端的SerSer已被乙酰化，已被乙酰化，以以N N乙酰基氨基酸存在。乙酰基氨基酸存在。3 3个个CysCys残基中的残基中的2 2个（个（N N末端起第末端起第101101个氨基酸残基个氨基酸残基N101N101、第、第160160个氨基酸残个氨基酸残基基N160N160）形成分子内二硫键，剩下的）形成分子内二硫键，剩下的1 1个个CysCys残基残基（N190N190）可能与）可能与H H链的链的
48、1 1个个CysCys残基（残基（C20C20）之间形成）之间形成二硫键。二硫键。此外，此外，H H链既通过结晶区又通过非结晶区，而链既通过结晶区又通过非结晶区，而L L链链只存在于非结晶区中。只存在于非结晶区中。（4 4）丝素蛋白的结晶结构）丝素蛋白的结晶结构 19411941年日本学者清水正德（年日本学者清水正德（ShimizuShimizu）发现丝）发现丝素蛋白有素蛋白有2 2种结晶状态，最初称其为种结晶状态，最初称其为丝素和丝素和丝丝素。由于素。由于丝素并非丝素并非螺旋结构，而是一种接近于螺旋结构，而是一种接近于折叠的不稳定结构，故以后称作折叠的不稳定结构，故以后称作SilkSilk，
49、丝素丝素称为称为SilkSilk。实验发现脱胶后的茧丝丝素通常是实验发现脱胶后的茧丝丝素通常是SilkSilk。从。从绢丝腺中取得的液状丝素在不加拉伸的情况下用绢丝腺中取得的液状丝素在不加拉伸的情况下用0 04040干燥固化得到干燥固化得到SilkSilk，在，在5050以上可得到以上可得到SilkSilk。用茧丝丝素溶解得到的丝素蛋白溶液经。用茧丝丝素溶解得到的丝素蛋白溶液经缓慢干燥也可得到缓慢干燥也可得到SilkSilk。SilkSilk结晶结构是不结晶结构是不稳定的结构，经加热、有机溶剂处理、改变稳定的结构，经加热、有机溶剂处理、改变pHpH值、值、延伸等方法可转化为延伸等方法可转化为S
50、ilkSilk。MarshMarsh、PaulingPauling提出提出SilkSilk为为反平行折反平行折叠结构（叠结构（Antiparallel pleated sheetAntiparallel pleated sheet），它的），它的模型见图所示，结晶属单斜晶系，晶胞参数模型见图所示，结晶属单斜晶系，晶胞参数a a0.944nm0.944nm（层内氢键方向），（层内氢键方向），b b0.697nm0.697nm（纤维轴（纤维轴方向），方向），c c0.920nm0.920nm（折叠层的垂直方向），（折叠层的垂直方向），9090。丝素蛋白中的多肽链几乎是完全伸展的。丝素蛋白中的多肽链
