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大自然啟發(fā)了人們制備各種仿生結(jié)構(gòu)。天然蜘蛛絲具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，主要是源于其特殊的層次結(jié)構(gòu)，例如β-薄片交聯(lián)點(diǎn)、分子鏈高度排列的螺旋納米組件和剛性鞘-軟芯等。已有許多研究者通過模擬這些特性來實(shí)現(xiàn)較好的人造纖維性能，然而，如何巧妙利用紡絲過程同時實(shí)現(xiàn)上述層次結(jié)構(gòu)特點(diǎn)仍具有挑戰(zhàn)性。
近日，南開大學(xué)劉遵峰、中國藥科大學(xué)周湘與東華大學(xué)朱美芳研究團(tuán)隊(duì)受蜘蛛絲蛋白結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，制備了一種可溶的交聯(lián)納米凝膠，并紡制了具有類似蜘蛛絲層次結(jié)構(gòu)的交聯(lián)纖維，為高強(qiáng)高韌纖維材料的直接紡絲提供了一種新策略。
蜘蛛絲蛋白中的β-薄片作為交聯(lián)點(diǎn)，其交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)位于納米尺寸大小的球狀蛋白內(nèi)。因此，蛛絲蛋白具有可溶性，可通過自組裝直接紡制成分層纖維。受蛛絲結(jié)構(gòu)和紡絲工藝啟發(fā)，研究者制備了具有內(nèi)部交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的可溶性納米凝膠，通過控制自由基聚合過程中交聯(lián)劑的濃度，制備出適用于不同單體的納米凝膠。當(dāng)交聯(lián)劑含量從0.15%增加到1.05%時，納米凝膠大分子的直徑和聚集量逐漸增大。
為研究納米凝膠拉伸紡絲能力與粒徑的關(guān)系，研究者將纖維在機(jī)械測試儀上進(jìn)行紡絲，直至纖維斷裂，同時測量機(jī)械應(yīng)力。通過理論模型預(yù)測出，導(dǎo)致納米凝膠斷裂的臨界應(yīng)力與納米顆粒半徑的平方根成反比。
為進(jìn)一步研究是否可以通過添加成核粒子來調(diào)節(jié)納米組件的尺寸和排列，以提高纖維力學(xué)性能，研究者制備了單壁碳納米管/聚多巴胺(SWNT-PDA)復(fù)合物，并在SWNT-PDA存在下合成了交聯(lián)劑含量為0.15%的納米凝膠，隨后研究了成核粒子的引入對納米凝膠纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，隨著SWNT-PDA含量的增加，納米凝膠纖維的斷裂強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變和韌性呈現(xiàn)上升趨勢，納米組件的排列更加整齊，平均直徑減小。
通過纖維的預(yù)拉伸，分子鏈的排列顯著增加，纖維平均直徑減小。對于預(yù)拉伸應(yīng)變?yōu)?0%的纖維，該結(jié)構(gòu)演變顯著提高了纖維的機(jī)械強(qiáng)度，并降低了其斷裂伸長率。經(jīng)過進(jìn)一步的加捻優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了纖維斷裂強(qiáng)度1.27GPa和韌性383MJ /m3的組合，與天然蜘蛛絲的性能值非常接近。
