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浙理工楊斌Mater. Horiz.封底:強度高達1.45 GPa的桑蠶絲實現快速、連續化、多模式人工抽絲及其在致動器領域的應用
2023-08-03  來源:高分子科技

  隨著蠶絲材料在生物工程、柔性傳感器、光學存儲、柔性電子器件和軟質致動器等方面的應用被逐漸開發,人們逐漸意識到蠶絲不僅僅是一個中華文明的符號,也不僅僅是一個奢侈品服裝面料的代名詞,其在高新技術領域也有一席之地。然而,天然蠶絲在形態、結構和性能上的差異性,極大地限制了這些高新技術的產業化進程。因此,科學家一直在探尋形貌更規整,性能更優良的蠶絲材料。目前,人工強制抽絲技術已被證明是獲得高性能蠶絲的理想方法。然而,被迫改變吐絲行為后的桑蠶在強制抽絲時表現出劇烈的抵抗行為,抽絲速度難以提高、效率低,容易造成斷絲且蠶絲與蠶絲之間性能差異較大。因此,如何緩解或消除抽絲過程中桑蠶的抵抗行為并獲得性能優良的蠶絲仍是一個巨大的挑戰。


  近期,浙江理工大學楊斌教授課題組基于一種多模式、快速離心抽絲策略,制備出了高強、高模、高韌蠶絲(CRS)。受蜘蛛及蓑蛾等懸空吐絲行為的啟發,該團隊利用具有不同角度的圓錐斜面使吐絲桑蠶獲得近似懸空狀態并進行抽絲;同時利用桑蠶在結繭過程中的間歇吐絲現象,進行間斷抽絲,即連續抽取一定時間后,停止抽絲操作,使桑蠶得到充足的時間以適應人工抽絲過程;最后通過轉動圓錐載體和增加吐絲桑蠶的數量以同步制備高強蠶絲紗線(CRSY)。該策略獲得的CRS的斷裂強度高達1.45 GPa,是天然蠶絲的三倍,完全媲美蜘蛛絲;其韌度為121.07±35.31 MJ m-3,楊氏模量為27.72±12.61 GPa這是迄今為止報道的力學性能最好的桑蠶絲材料之一。同時,CRS還具有快速扭轉恢復性能,且多次循環后仍能保持良好的恢復效果,是優秀的微致動器材料。此外,基于CRSY的氣動軟質致動器可執行預設動作,包括:收縮、伸長和彎曲,且能夠承擔極高的載荷,充分展示了CRSY人工肌肉、軟質致動器及軟體機器人領域的應用潛力。有趣的是,已有報道指出天然蛋白質纖維在低溫環境(液氮)中仍能保持良好的力學特性,結合該工作中CRS的高強高模高韌特征,其有望在充滿未知物體撞擊的深海或太空環境中實現軟體機器人的信號傳遞和任務執行。總之,這種多模式的快速離心抽絲策略開辟了一種全新的高性能蠶絲生產方法,為大規模、連續化制備高性能動物絲材料(柞蠶、蜘蛛及蓑蛾等)提供了有力支持。


(封底圖片) 


1:離心抽絲設備示意圖及三種抽絲工藝過程 


2:離心拉伸蠶絲的力學特征 


3:離心拉伸蠶絲紗線的一步法制備及其斷裂強度


4離心拉伸蠶絲的二級結構變化


5離心拉伸蠶絲紗線在氣動致動器中的應用


  該工作以High-performance artificially reeled silkworm silk via a multi-task and high-efficiency centrifugal reeling technique and its application in soft actuators為題發表在國際權威材料期刊Materials Horizons上,選為當期封底文章。文章第一作者是浙江理工大學紡織科學與工程學院(國際絲綢學院)博士生侯騰,通訊作者為楊斌教授。該工作得到了浙江省自然科學基金等項目的資金支持。浙江大學國際聯合學院歐陽宏偉教授和博士后王小召對該研究提供了幫助和指導。該工作是楊斌教授團隊近年來在功能蠶絲材料的相關研究中取得的進展之一,相關設備已申請中國發明專利并授權(專利號:ZL 2019 1 0998971.2)。


  論文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2023/MH/D3MH00494E


課題組簡介


  楊斌,教授/博導,浙江理工大學,紡織科學與工程學院(國際絲綢學院),微納米纖維加工創新團隊負責人。主要從事超細纖維制備、太赫茲光譜、功能蠶絲材料、智能及功能紡織品等方面的研究。主持、參與國家自然科學基金、浙江省自然科學基金等多項課題。以通訊作者身份在Materials Horizons、International Journal of Biological Macromolecules、Food Chemistry、Analytical Chemistry、Polymer、Analyst、Journal of Hazardous Materials、Separation and Purification Technology、Materials & Design、Carbohydrate Polymers等期刊發表SCI論文40余篇,授權國家發明專利20余項。電子郵箱:yangbin5959@zstu.edu.cn


  下載:High-performance artificially reeled silkworm silk via a multi-task and high-efficiency centrifugal reeling technique and its application in soft actuators

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