大自然启发人们制备各种仿生结构
发布日期: [2022/5/13]  共阅 [21] 次

大自然启发了人们制备各种仿生结构。天然蜘蛛丝具有优异的强度和韧性,主要是源于其特殊的层次结构,例如β-薄片交联点、分子链高度排列的螺旋纳米组件和刚性鞘-软芯等。已有许多研究者通过模拟这些特性来实现较好的人造纤维性能,然而,如何巧妙利用纺丝过程同时实现上述层次结构特点仍具有挑战性。

近日,南开大学刘遵峰、中国药科大学周湘与东华大学朱美芳研究团队受蜘蛛丝蛋白结构的启发,制备了一种可溶的交联纳米凝胶,并纺制了具有类似蜘蛛丝层次结构的交联纤维,为高强高韧纤维材料的直接纺丝提供了一种新策略。

蜘蛛丝蛋白中的β-薄片作为交联点,其交联网络位于纳米尺寸大小的球状蛋白内。因此,蛛丝蛋白具有可溶性,可通过自组装直接纺制成分层纤维。受蛛丝结构和纺丝工艺启发,研究者制备了具有内部交联网络的可溶性纳米凝胶,通过控制自由基聚合过程中交联剂的浓度,制备出适用于不同单体的纳米凝胶。当交联剂含量从0.15%增加到1.05%时,纳米凝胶大分子的直径和聚集量逐渐增大。

为研究纳米凝胶拉伸纺丝能力与粒径的关系,研究者将纤维在机械测试仪上进行纺丝,直至纤维断裂,同时测量机械应力。通过理论模型预测出,导致纳米凝胶断裂的临界应力与纳米颗粒半径的平方根成反比。

为进一步研究是否可以通过添加成核粒子来调节纳米组件的尺寸和排列,以提高纤维力学性能,研究者制备了单壁碳纳米管/聚多巴胺(SWNT-PDA)复合物,并在SWNT-PDA存在下合成了交联剂含量为0.15%的纳米凝胶,随后研究了成核粒子的引入对纳米凝胶纤维结构和性能的影响。结果表明,随着SWNT-PDA含量的增加,纳米凝胶纤维的断裂强度、断裂应变和韧性呈现上升趋势,纳米组件的排列更加整齐,平均直径减小。

通过纤维的预拉伸,分子链的排列显著增加,纤维平均直径减小。对于预拉伸应变为50%的纤维,该结构演变显著提高了纤维的机械强度,并降低了其断裂伸长率。经过进一步的加捻优化,最终实现了纤维断裂强度1.27GPa和韧性383MJ /m3的组合,与天然蜘蛛丝的性能值非常接近。


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