CC BY
58
И. Ш. Абдуллин, Э. Ф. Вознесенский, И. В. Красина,
Л. Р. Джанбекова, Е. А. Панкова
РАЗРАБОТКА ГРАФИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МИКРОСТРУКТУРЫ НАТУРАЛЬНОГО КЕРАТИНСОДЕРЖАЩЕГО ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО МАТЕРИАЛА
Ключевые слова: кератин шерсти, графическая модель, натуральный волос. keratin of fur,
graphic model, the natural hair.
Натуральные высокомолекулярные материалы обладают схожим белковым строением, позволяющим создание моделей на основе общих принципов. Статья посвящена разработке графической модели микроструктуры натурального шерстяного волокна. В основу модели положены сведения о размерных и количественных соотношениях структур кератина. Модель применима для интерпретации данных структурных исследований шерстяного волокна. Natural high-molecular materials possess the similar albuminous structure that allows modeling on the basis of the general principles. Article is devoted to graphic modeling of a microstructure of a natural wool fibre. Dimensional and quantitative ratios in structures of keratin are put in a model basis. The model is applicable for interpretation of the data of structural researches of a wool fibre.
Натуральные высокомолекулярные материалы (ВММ) находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Общим для натуральных ВММ является их ориентированное фибриллярное строение, которое обуславливает специфику их физикомеханических, теплозащитных сорбционных и других свойств. Полимерной основой натуральных ВММ являются белки: кератин шерсти, коллаген кожи, целлюлоза древесины. Фибриллярные структуры данных материалов достаточно схожи, а следовательно их изучение возможно на основе общих принципов. Предложено построение пропорциональной графической модели структуры. В качестве типичного представителя натуральных ВММ выбрано шерстяное волокно.
Натуральный волос или шерстяное волокно обладает уникальными теплозащитными, гигиеническими и технологическими свойствами, которые до сих пор невозможно в полной мере воспроизвести при создании синтетических волокон. Натуральное шерстяное волокно обладает многоуровневой белковой структурой. Имеется значительное количество исследований, посвященных уровням структурной укладки белка-кератина. a-цепи кератина спирализуются в суперспирали - протофибриллы, по две или три согласно выводам разных исследователей [1,2]. Следующим уровнем агрегации протофибрилл является микрофибрилла, объединяющая в своем составе 11 протофибрилл. Далее идет уровень макрофибрилл или просто фибрилл. Агрегация макрофибрилл образует клеточные структуры натурального шерстяного волокна.
Морфологически натуральное шерстяное волокно образовано внутренним слоем -кортексом, состоящим из химически активного ортокортекса и инертного паракортекса. Большое количество шерстяных волокон содержат богатую воздухом сплошную или прерывистую сердцевину. Внешняя поверхность шерстяного волокна образована слоями чешуек - кутикулой. Кутикула волоса состоит из тонкой внешней мембраны - эпитикулы и двух концентрических слоев экзокутикулы и эндокутикулы.
Для оценки соотношений микроструктур шерстяного волокна предложено построение двумерной графической модели с соблюдением масштабных пропорций между размерами разных структурных элементов кератина в составе шерстяного волокна. В качестве
исходной выбрана наглядная графическая схема микроструктуры волоса в источнике [3]. В построениях использовался метод, аналогичный описанному в работе [4]. Типичные размеры структурных агрегатов кератина волоса представлены в табл. 1.
Таблица 1 - Типичные поперечные размеры структурных образований кератина волоса
Наименование структурного уровня (слоя) Размер (толщина), нм
Корковый слой (кортекс) 10 000-50 000
а- спираль кератина 1
Протофибрилла 2
Микрофибрилла 7
Макрофибрилла 50-200
Клетка кортекса 400-2000
Чешуйчатый слой (кутикула) 500-1000
Эпитикула 5-50
Экзокутикула 300-600
Эндокутикула 170-300
Волокно 11 000-55 000
На основе данных табл. 1 построены графические схемы протофибриллы, микрофибриллы, макрофибриллы и клетки кортекса (рис. 1).
Рис. 1 - Графические схемы агрегатов кератина шерстяного волокна: а - протофибрилла; б - микрофибрилла; в - макрофибрилла; г - клетка кортекса
Предложена схема поперечного сечения шерстяного волокна (рис. 2), в которой многогранники, описывающие клетку кортекса, равномерно уложены внутри контура -границы коркового слоя. Деление кортекса на пара и ортокортекс выделено цветом. Три слоя кутикулы отмечены концентрическими окружностями.
Представленная модель позволяет наглядно рассмотреть все уровни микро и ультраструктуры кератина натурального шерстяного волокна. Модель может быть использована для интерпретации данных структурного анализа: электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ и др. Также построенная модель полезна для определения влияния избирательной модификации малых структурных уровней на структуру и свойства волокна в целом.
Рис. 2 - Схема поперечного сечения шерстяного волокна
Недостатком представленной модели является малая наглядность при рассмотрении степени раскрытия чешуек кутикулы. Данный параметр определяет технологические и потребительские свойства шерстяного волокна: блеск, свойлачиваемость и др. Предлагается дополнить модель схемами структур вдоль оси волокна.
Литература
1. Степанов, В.М. Молекулярная биология, структура и функция белков / В.М. Степанов. - М.: Изд-во МГУ им. М.В. Ломоносова, 2005. - 335 с.
2. Павлов, С.А. Химия и физика высокомолекулярных соединений в производстве кожи и меха / С.А. Павлов [и др.]. - М.: Легкая индустрия, 1966. - 481 с.
3. Разумеев, К.Э. Проектирование шерстяной гребенной ленты и пряжи на основе инструментального определения свойств немытой шерсти: монография / К.Э. Разумеев. - М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2005. - 246 с.
4. Кулевцов, Г.Н. Повышение эффективности использования сырья, полуфабриката, отходов и вспомогательных материалов кожевенного производства с применением низкотемпературной плазмы / Г.Н. Кулевцов [и др.]. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол ун-та, 2008. - 260 с.
© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ; Э. Ф. Вознесенский - канд. техн. наук, докторант той же кафедры; И. В. Красина - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; Л. Р. Джанбекова - канд. техн. наук, зав. лаб. той же кафедры; Е. А. Панкова - канд. техн. наук, докторант той же кафедры. е-таі1:аЬ^11іп_і@к8Іи.т
