The viscoelasticity and structure of fibrous proteins

Summary DynamicYoung's moduli of wool fibres in water have been measured over a range of two decades in rate of extension and at temperatures from 0 to 90 C. Small displacements were used, corresponding to extensions of 0.1%. These were imposed upon mean extensions of (a) 1%, (b) 15% and (c) 40%, representative of the three main extension regions of-keratin. The results obtained show great differences from the slopes of the corresponding regions of the force-extension curve carried out at the same temperature and rate of extension.Comparison of the small-strain dynamic moduli in the three regions (a), (b) and (c) indicate that there is a component of the modulus in (a) amounting to 1.3×10¹⁰ dynes/cm² which is associated with intact-helical filaments, and which is substantially constant up to at least 70 C.Approximate superposition of the dynamic moduli at different rates was achieved using theWilliams-Landel-Ferry (WFL) equation with a reference temperature of 35 C. It is thereby concluded that under the present conditions-keratin has an effective glasstransition in the vicinity of –15 C. Above 60–70 C the WLF relation was not obeyed, indicating the presence of a relaxing process with a different temperature-dependence from that of the normal viscoelastic mechanisms; it is suggested that this process may consist in the fission and re-formation of cystine groups.

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Zusammenfassung Die dynamischenYoung-Moduln von Wollfasern in Wasser wurden über einen Bereich von zwei Dekaden der Streckgeschwindigkeit und Temperaturen zwischen 0 und 90 gemessen. Die maximal verwendeten Auslenkungen entsprechen einer Ausdehnung von 0,1%. Diese wurden den mittleren Dehnungen von (a) 1%, (b) 15% und (c) 40% überlagert entsprechend den drei Hauptbereichen der Dehnung von-Keratin. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen gro\e Differenzen für die Steigungen der entsprechenden Bereiche Kraft-Dehnungs-Diagramm für gleiche Temperaturen und gleiche Dehnungsgeschwindigkeit.Ein Vergleich der Dehn-Moduln für kleine Dehnungen in den drei Bereichen (a), (b) und (c) zeigen, da\ in (a) eine Komponente des Moduls von etwa 1,3×10¹⁰dyn/ cm² enthalten ist, verbunden mit den intakten-Helices der Moleküle. Und diese bleiben im wesentlichen unverändert bis zu Temperaturen von wenigstens 70 C.Näherungsweise Superposition der dynamischen Moduln bei verschiedenen Dehngeschwindigkeiten konnte mit Hilfe derWilliams-Landel-Ferry (WLF)-Gleichung hinsichtlich einer Referenz-Temperatur von 35 C erreicht werden. Hieraus folgt, da\ unter den angewandten Bedingungen das-Keratin eine effektive Glasübergangstemperatur in der Nachbarschaft von –15C besitzt. Oberhalb von 60 bis 70 C wird die WLP-Gleichung nicht befolgt. Das zeigt die Mitwirkung von Relaxations-Prozessen mit einer unterschiedlichen Temperatur-Abhängigkeit von der der normalen viscoelastischen Mechanismen an. Es ist zu vermuten, da\ dieser Proze\ auf der Aufspaltung und Wiederbildung von Cystin-Gruppen beruht.