专利名称：头端分叉的角蛋白原纤体的制备装置和方法
技术领域：
本发明涉及头端分叉原纤体的制备技术，尤其是采用梳片差动式机械搅拌制备方法，并将所得的来自于天然毛发中的原纤体应用于角蛋白同质复合膜中。
背景技术：
异形纤维可分为两种，其一是整体截面呈异形的纤维，例如三角形纤维、工字形纤维等。其二是头端(或长度方向上)截面异形的纤维，例如骨铃)形纤维、竹节形纤维、分叉纤维等。
经检索，第一类整体截面异形的纤维及其制备方法的相关专利有申请号为 201020200715. 9的发明专利“三叶异型喷丝板”中描述了在高聚物的熔融纺丝时，将喷丝孔的形状设计制成三叶形，得到比表面积大的三叶形异形纤维。申请号为200810124782. 4的发明专利“一种聚丙烯异形纤维及其喷丝方法”中报道了通过异形喷丝板挤出，在喷丝板下方的初生纤维结晶区布置外部环形横向吹风系统。形成纤维的截面形状为C形或圆中空形或三叶形或十字形或米字形或三角形，纤维截面异形度为20-55%。以上有关异形纤维的专利报道，均是通过改变喷丝孔形状或通过添加剂改变纤维截面，得到表面积增大的异形纤维，但在长度方向上，尤其在头端仍是平直端。若将其作为复合材料中的增强纤维，仍容易出现应力集中，导致复合材料韧性降低。
第二类异形纤维及其制备方法的相关专利有申请号为201010520316. 5的发明专利“大截面异型混凝土增强改性聚丙烯纤维及其生产方法”中公开的一种异形纤维，其截面呈扁平状，界面长度与宽度的比例为3-4:1，特别是在纤维表面呈凹凸花纹状，纤维截面积为0. Imm2-Imm2,纤维长度为15_30mm，纤维的聚合物成分占纤维总重量的90_100%，添加剂占纤维总重量的0-10%。特别是19世纪90年代初，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Lab, LANL)开展了将骨形(哑铃形)纤维应用于复合材料的系统研究， 所申请的美国申请专利 WO 99/41440 "Reinforced Composites Including Bone-Shaped Short Fibers”中所报道的一种用于增强增韧水泥基材料的钢纤维，其长度为25mm，中部纤维直径为0. 84mm，头端直径为1. 6mm。发现钢纤维的骨形头端能有效地改善水泥材料的强度和韧性，分别较普通钢纤维增强的水泥提高了 40%和沈0%。但上述纤维均为宏观尺寸的纤维，尽管在复合材料中起到了增韧作用，但却因材料本身性质的非生态，无法将其应用于生物类材料的增韧。
由于目前能够获得的角蛋白原纤体都是其原有结构形态，即两头细，当中粗的纺锤形原纤体。因此，在实际增强复合材料中，其作为增强体，头端的握持作用较弱，易于滑脱和破坏。若能仿生制备成头端呈树杈状结构，则大大提高其头端的握持和消减应力集中现象，从而达到对该复合材料的增强、增韧作用，尤其是增韧。发明内容
本发明的目的在于提供一种头端分叉的角蛋白原纤体的制备方法和装置，所得的头端分叉的角蛋白原纤体可作为角蛋白同质复合材料的增强体，对复合材料增强与增韧。
为了达到上述目的，本发明提供了一种差动式机械搅拌装置，其特征在于，包括设于容器中的至少一个搅拌棒，所述的搅拌棒包括第一传动杆以及设于第一传动杆内的第二传动杆，第一传动杆的一端连接上搅拌梳，另一端连接传动齿轮，传动齿轮连接上搅拌梳步进电机，第二传动杆的一端连接下搅拌梳，另一端连接下搅拌梳步进电机，上搅拌梳和下搅拌梳的梳片相对。
优选地，所述的容器设于试样台上，所述的试样台通过转动轴连接步进电机。
优选地，所述的上搅拌梳和下搅拌梳的大小、形状、梳片的个数以及间距皆相等。
优选地，所述的上搅拌梳和下搅拌梳的梳片的个数皆为1-12个。
本发明还提供了一种头端分叉的角蛋白原纤体的制备方法，其特征在于，具体步骤为将甲酸溶液加入到上述的差动式机械搅拌装置的容器中，将直径为3-5μπκ长度为 80-120 μ m的纺锤形角蛋白原纤体投入所述的甲酸溶液中，在超声波振荡和差动式机械搅拌共同作用下，离心或过滤得到头端分叉的角蛋白原纤体。
所述的直径为3-5 μ m、长度为80-120 μ m的纺锤形角蛋白原纤体为可以通过申请号为2009100472M. 8、名称为“一种分离提取天然角蛋白纤维中原纤状结构体的方法”的中国专利所公开的方法制成。
优选地，所述的纺锤形角蛋白原纤体是由天然角蛋白纤维中提取的。
更优选地，所述的天然角蛋白纤维为羊毛、牦牛毛、人发、羊绒、驼毛、马毛或牛毛。
优选地，所述的甲酸溶液的温度为10_40°C，体积浓度为70-98%。
优选地，所述的超声波振荡的功率为50-150W，时间为5-30min。
优选地，所述的差动式机械搅拌装置的上搅拌梳和下搅拌梳的转动方向相反，转动频率相同，为0. 01-2Hz，转动角度相同，为30° -1800°。
优选地，所述的差动式机械搅拌装置的试样台的转速为O-lOrpm。
优选地，所述的离心的温度为20°C，离心速度为6000-12000rpm，时间为 15_30min。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果如下(a)由于采用差动式的搅拌，加大了对纺锤形的动物角蛋白原纤体的头端分叉的力度和概率，可有效增加分叉原纤体得率、头端平均分叉数和表面积表面积可直接增加20%以上；(b)由于采用多梳片的搅拌梳，更大程度上地加大了对纺锤形的动物角蛋白原纤体的作用力度和概率，除了可大大地改善上述(a)中特征，还能增加头端平均分叉长度；(c)原纤的握持点、段增多，表面积增加率增大，有利于应力均勻分布和高效粘结与握持；原纤体在头端的分叉，增强对基体受力段的锁结，防止基体裂纹扩展，提高复合材料的强度和韧性，尤其是韧性；其增强且增韧的机理是根部分叉使纤维的头端具有更大的比表面积和枝杈的机械锁结作用，故不仅有效地增加握持点和握持区域，而且大大减少头端的应力集中。
(d)本发明所采用的角蛋白原纤体和溶液都来自于天然毛发纤维，如羊毛、牦牛毛、人发、羊绒、驼毛、马毛或牛毛等，具有原料丰富、成本低廉、加工简单等特点，并且所得的头端分叉原纤体是无毒、无害的角蛋白晶须。其增强增韧的复合膜可用于生物医用、组织结构材料。
图1为差动式机械搅拌装置结构示意图；图2为本发明方法得到的头端分叉原纤体光学显微镜照片。
具体实施方式
下面结合实施例来具体说明本发明。实施例有助于理解本发明，但不限制本发明的内容。
实施例1如图1所示，为差动式机械搅拌装置结构示意图，所述的差动式机械搅拌装置，包括设于容器11中的至少一个搅拌棒，所述的搅拌棒包括第一传动杆2以及设于第一传动杆2内的第二传动杆6，第一传动杆2的一端连接上搅拌梳1，另一端连接传动齿轮3，传动齿轮3 连接上搅拌梳步进电机4，第二传动杆6的一端连接下搅拌梳5，另一端连接下搅拌梳步进电机7，上搅拌梳1和下搅拌梳5的梳片相对。容器13设于试样台8上，所述的试样台8通过转动轴连接步进电机9。所述的上搅拌梳1和下搅拌梳2的大小、形状、梳片的个数以及间距皆相等。上搅拌梳1和下搅拌梳2的梳片的个数为1-12个。
实施例2将洗净烘干的羊毛剪成5mm长的纤维段，浸入98%甲酸中煮沸lOmin，先后经过功率为 400W的超声波震荡IOmin和功率为200W的超声波震荡20min完成去鳞。将去鳞羊毛以 lg/100ml的固液比浸入到98%甲酸中，在20°C恒温水浴中以频率为20kHz、功率为200W进行超声波震荡证。之后以100目的筛网过滤除去未分解的羊毛纤维，将滤液再经过400目筛网，得到直径为4. 8 μ m、长度为120. 0 μ m的纺锤形原纤体。
采用实施例1所述的差动式机械搅拌装置，将温度为20°C、体积浓度为85%的甲酸溶液10置于容器13中，取部分直径为4. 8 μ m、长度为120. 0 μ m羊毛的纺锤形原纤体放到浓度为甲酸溶液10中，设定超声波振荡频率为20kHz，功率为50W ；上搅拌梳1和下搅拌梳2 的转动方向相反，搅拌频率皆为0. 05Hz，转动角度皆为1800°，采用两个搅拌棒，上搅拌梳1 和下搅拌梳2的梳片的个数皆为2 ；超声波振荡与机械差动式搅拌共同作用时间为30min。 设定离心机转速为6000rpm，时间为30min，收集混合液中的头端分叉的原纤体。分叉原纤的得率为99%，经显微镜观测，计算得到其表面积增加率为31%。
实施例3将洗净烘干的羊绒剪成5mm长的纤维段，并与实施例1中对羊毛原纤体的制备方法及步骤一致。得到直径为3. 0 μ m、长度为105. 5 μ m的纺锤形原纤体。
采用实施例1所述的差动式机械搅拌装置，将温度为40°C、体积浓度为70%的甲酸溶液10置于容器13中，取部分直径为3. 0 μ m、长度为105. 5 μ m的羊绒的纺锤形原纤体放到甲酸溶液10中，设定超声波振荡频率为20kHz，功率为150W ；上搅拌梳1和下搅拌梳2 的转动方向相反，搅拌频率皆为2Hz，转动角度皆为30°，采用6个搅拌棒，上搅拌梳1和下搅拌梳2的梳片的个数皆为4，试样台转速为200rpm ；超声波振荡与机械差动式搅拌共同作用时间为lOmin。设定离心机转速为12000rpm，时间为15min，收集混合液中的头端分叉的原纤体。分叉原纤的得率为96%，经显微镜观测，计算得到表面积增加率为四％。
实施例4将洗净烘干的牦牛毛剪成5mm长的纤维段，并与实施例1中对羊毛原纤体的制备方法及步骤一致。得到直径为4. 3 μ m、长度为89. 4 μ m的纺锤形原纤体。
采用实施例1所述的差动式机械搅拌装置，将温度为30°C、体积浓度为80%的甲酸溶液10置于容器13中，取部分牦牛毛的直径为4. 3 μ m、长度为89. 4 μ m的纺锤形原纤体放到甲酸溶液10中，设定超声波振荡频率为20kHz，功率为100W ；上搅拌梳1和下搅拌梳2 的转动方向相反，搅拌频率皆为1Hz，转动角度皆为1080°，采用4棒，上搅拌梳1和下搅拌梳2的梳片的个数皆为8 ；超声波振荡与机械差动式搅拌共同作用时间为20min。设定离心机转速为SOOOrpm，时间为25min，收集混合液中的头端分叉的原纤体。分叉原纤的得率为 94%，其表面积增加率为23%。
实施例5将洗净烘干的人发剪成5mm长的纤维段，并与实施例1中对羊毛原纤体的制备方法及步骤一致。得到直径为4.7 μ m、长度为114.6μπι的纺锤形原纤体。
采用实施例1所述的差动式机械搅拌装置，将温度为10°C、体积浓度为90%的甲酸溶液10置于容器13中，取部分人发的直径为4. 7 μ m、长度为114. 6 μ m的纺锤形原纤体放到甲酸溶液10中，设定超声波振荡频率为20kHz，功率为100W ；上搅拌梳1和下搅拌梳2 的转动方向相反，搅拌频率皆为1. 5Hz，转动角度皆为720°，采用4个搅拌棒，上搅拌梳1和下搅拌梳2的梳片的个数皆为12 ；超声波振荡与机械差动式搅拌共同作用时间为5min。设定离心机转速为lOOOOrpm，时间为20min，收集混合液中的头端分叉的原纤体。分叉原纤的得率为94%，经显微镜观测，计算得到表面积增加率为M%。
以上仅是本发明的部分实例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。凡是根据本发明的技术方案做出其他各种相应的简单修改、等同变化或修饰，都应属于本发明权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种差动式机械搅拌装置，其特征在于，包括设于容器(U)中的至少一个搅拌棒， 所述的搅拌棒包括第一传动杆(2)以及设于第一传动杆(2)内的第二传动杆(6)，第一传动杆(2 )的一端连接上搅拌梳(1)，另一端连接传动齿轮(3 )，传动齿轮(3 )连接上搅拌梳步进电机(4)，第二传动杆(6)的一端连接下搅拌梳(5)，另一端连接下搅拌梳步进电机(7)，上搅拌梳(1)和下搅拌梳(5)的梳片相对。
2.如权利要求1所述的差动式机械搅拌装置，其特征在于，所述的容器(11)设于试样台(8)上，所述的试样台(8)通过转动轴连接步进电机(9)。
3.如权利要求1所述的差动式机械搅拌装置，其特征在于，所述的上搅拌梳(1)和下搅拌梳(5)的大小、形状、梳片的个数以及间距皆相等。
4.如权利要求1所述的差动式机械搅拌装置，其特征在于，所述的上搅拌梳(1)和下搅拌梳(5)的梳片的个数皆为1-12个。
5.一种头端分叉的角蛋白原纤体的制备方法，其特征在于，具体步骤为将甲酸溶液加入到权利要求1-4任一项所述的差动式机械搅拌装置的容器(11)中，将直径为3-5μπκ 长度为80-120 μ m的纺锤形角蛋白原纤体投入所述的甲酸溶液中，在超声波振荡和差动式机械搅拌共同作用下，离心或过滤得到头端分叉的角蛋白原纤体。
6.如权利要求5所述的头端分叉的角蛋白原纤体的制备方法，其特征在于，所述的纺锤形角蛋白原纤体是由天然角蛋白纤维中提取的。
7.如权利要求5所述的头端分叉的角蛋白原纤体的制备方法，其特征在于，所述的甲酸溶液的温度为10_40°C，体积浓度为70-98%。
8.如权利要求5所述的头端分叉的角蛋白原纤体的制备方法，其特征在于，所述的超声波振荡的功率为50-150W，时间为5-30min。
9.如权利要求5所述的头端分叉的角蛋白原纤体的制备方法，其特征在于，所述的差动式机械搅拌装置的上搅拌梳(1)和下搅拌梳(5)的转动方向相反，转动频率相同，为 0. 01-2Hz，转动角度相同，为30°-1800°。
全文摘要
本发明提供了一种头端分叉的角蛋白原纤体的制备装置和方法。所述的头端分叉的角蛋白原纤体的制备方法，其特征在于，具体步骤为将甲酸溶液加入到上述的差动式机械搅拌装置的容器中，将直径为3-5μm、长度为80-120μm的纺锤形角蛋白原纤体投入所述的甲酸溶液中，在超声波振荡和差动式机械搅拌共同作用下，离心或过滤得到头端分叉的角蛋白原纤体。本发明由于采用差动式的搅拌，加大了对纺锤形的动物角蛋白原纤体的头端分叉的力度和概率，可有效增加分叉原纤体得率、头端平均分叉数和表面积表面积可直接增加20%以上。
文档编号D06M13/188GK102505387SQ20111035734
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月13日 优先权日2011年11月13日
发明者于伟东, 刘洋, 刘洪玲 申请人:东华大学