水凝膠纖維與傳統(tǒng)水凝膠相比，通常具有更好的機(jī)械性能，在高強(qiáng)韌、輕量化設(shè)計(jì)材料領(lǐng)域中具有重要價(jià)值。目前，多種紡絲技術(shù)已被用于制備水凝膠微纖維，但這些技術(shù)大多數(shù)存在著高能耗和復(fù)雜制備過(guò)程。另外，化學(xué)交聯(lián)策略的引入使得水凝膠纖維材料難以回收，與國(guó)家倡導(dǎo)的綠色環(huán)保以及低碳生產(chǎn)理念相悖。因此，在溫和的水環(huán)境條件下，模擬生物紡絲，開(kāi)發(fā)一種可回收、環(huán)保及節(jié)能的高強(qiáng)韌水凝膠纖維，仍是一個(gè)亟待解決的難題。
天然蛛絲結(jié)合了高強(qiáng)度和高韌性，能夠在斷裂前吸收巨大的能量，其非凡的機(jī)械性能源于自身的多級(jí)結(jié)構(gòu)，包括β-納米晶區(qū)、無(wú)定形蛋白基質(zhì)和鞘核結(jié)構(gòu)。且天然蛛絲作為肽基材料，在自然環(huán)境條件下能夠緩慢分解，不必?fù)?dān)心廢棄回收的問(wèn)題。受天然蛛絲的多級(jí)結(jié)構(gòu)和紡絲工藝啟發(fā)，天津工業(yè)大學(xué)王潤(rùn)研究員、劉雍教授以及南開(kāi)大學(xué)劉遵峰教授合作報(bào)道了一種簡(jiǎn)單且高效的拉伸紡絲工藝，可在環(huán)境條件下連續(xù)生產(chǎn)高強(qiáng)韌聚丙烯酰胺水凝膠微纖維。該水凝膠微纖維具有類(lèi)似蛛絲的由水蒸發(fā)誘導(dǎo)的自組裝產(chǎn)生的鞘核結(jié)構(gòu)和氫鍵納米團(tuán)簇，能夠承載重量超過(guò)自身50000倍的物體。通過(guò)傳統(tǒng)紡織牽伸與加捻技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化了微纖維內(nèi)部的氫鍵納米團(tuán)簇，使其在強(qiáng)度、韌性和阻尼能力上達(dá)到了與天然蛛絲以及大部分合成纖維媲美的水平。
圖1. 受蜘蛛絲啟發(fā)的高強(qiáng)高韌水凝膠微纖維
圖2. 水凝膠微纖維紡絲液的可紡性
利用傳統(tǒng)紡織牽伸技術(shù)，調(diào)控纖維內(nèi)部的氫鍵納米團(tuán)簇，水凝膠微纖維表現(xiàn)出高強(qiáng)度(525 MPa)和高韌性(196 MJ m-3)。偏振光顯微鏡、小角X射線散射和拉曼測(cè)試分析了牽伸過(guò)程中氫鍵納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的演變。結(jié)果表明，聚丙酰胺纖維形成的氫鍵簇初級(jí)尺寸約19 nm，并聚集為平均尺寸約76 nm的納米團(tuán)簇。對(duì)于牽伸應(yīng)變?yōu)?0%的水凝膠微纖維，納米團(tuán)簇聚集體的尺寸增加到82 nm。隨著牽伸應(yīng)變的增加，纖維內(nèi)部結(jié)合水氫鍵的比例也隨之提高。這種獨(dú)特的氫鍵納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)為水凝膠微纖維帶來(lái)了優(yōu)異的強(qiáng)度與韌性。
圖4. 水凝膠微纖維的牽伸和增韌機(jī)制
圖5. 水凝膠微纖維的加捻和應(yīng)用
這項(xiàng)工作介紹了一種制備高強(qiáng)高韌且可回收的水凝膠基纖維材料的新策略，適用于需要抗沖擊和抗變形的應(yīng)用場(chǎng)景，如救生索、捕捉網(wǎng)和降落傘繩索。
以上研究成果近期以“Bioinspired Mechanically Robust and Recyclable Hydrogel Microfibers Based on Hydrogen-Bond Nanoclusters”為題，發(fā)表在《Advanced Science》(DOI: 10.1002/advs.202401278)上。天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生梁敬業(yè)為文章第一作者，王潤(rùn)研究員為論文通訊作者。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202401278
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