[發明專利]具有多級微納米結構的彈性纖維及其仿生制備方法

無效

• 申請號: 201110365075.6
• 申請日: 2011-11-17
• 公開（公告）號: CN102517687A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 劉全勇;江雷
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: D01F6/94
• 分類號: D01F6/94;D01F1/10;D01D1/02;D01D5/06;D01D5/14;D01D13/00;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術領域

本發明屬于高分子纖維材料技術領域，具體來說是涉及一種具有多級微納米結構的彈性纖維及其仿生制備方法，與仿生科學、微納米技術、材料科學和纖維紡織技術有關。

背景技術

自然界中，許多天然的生物材料，如荷葉、蝴蝶翅膀、水黽腿、蚊子復眼、魚鱗、壁虎腳等，進化了上億年而具有完美的多級微納米結構。也正是由于這種多級微納米結構，這些天然的生物材料具有許多獨特的功能，如超憎水性、自清潔、結構顏色、抗反射、防霧、抗污染、減阻、可逆粘合等。基于仿生學原理，模仿天然生物材料的多級微納米結構，設計、制備新型的結構和功能材料，已成為材料科學領域里的一個重要發展方向。

蜘蛛絲是一種著名的、天然的彈性纖維，它具有許多優秀的性質和功能，如非凡的力學性能、極好的形狀記憶效應、高的阻尼能力、有方向的水收集性、一定的生物吸附能力、出色的生物相容性等。正是由于這些優秀的性質，蜘蛛絲已經被開發用在航空航天、軍事、建筑、農業、水收集、生物醫學等領域。進一步的調查發現，蜘蛛絲這些優秀的性質和功能，主要歸功于兩個方面的原因：(1)蜘蛛絲的獨特天然的紡絲過程；(2)蜘蛛絲的多級微納米結構。

據文獻報道，通過模仿蜘蛛絲的多級微納米結構，如模仿蜘蛛牽引絲的蛋白納米晶增強無定型相結構，或者模仿蜘蛛俘獲絲的周期性軸節結構，人們已經開發了幾種有特色的結構和功能纖維材料。通過改進的凝固浴基于的纖維紡絲技術，制備了一種單壁碳納米管/聚乙烯醇復合纖維，該纖維具有極高的強度和韌性；通過多重脈沖氣相滲透技術，生產了一種金屬鋅、鈦或者鋁注入的蜘蛛絲，該修飾的蜘蛛絲具有提高的強度和剛度；將尼龍纖維浸入聚合物溶液中，然后水平地將纖維從溶液中拉出并干燥，通過該過程，制造了一系列的人工蜘蛛絲，該人工蜘蛛絲具有周期性的軸節結構，這種周期性的軸節結構可以驅使小水滴在纖維上有方向性地移動；通過共軸電紡和電噴結合的方法，設計了一種聚乙烯醇/聚苯乙烯復合纖維，該纖維具有珠線相連的異質結構。從這些具有多級微納米結構纖維的報道中，可以發現，一方面，纖維的制備方法是極其重要的，另一方面，還沒有具有多級微納米結構彈性纖維的報道。

聚氨酯彈性體具有隔音、絕熱、耐磨、耐油、耐光、抗老化、形狀記憶等特點，被廣泛用于航空、機電、船舶、車輛、土木建筑、輕工、紡織等領域。聚氨酯彈性體已經被用作原材料去制備知名的彈性纖維-氨綸，該彈性纖維具有伸長率大、彈性回復率高、耐疲勞性優越、染色性好等優點。此外，聚氨酯彈性體和蜘蛛絲蛋白具有許多相似的結構特征，如嵌段型分子鏈、穩定的酰胺鍵、豐富的氫鍵等。因此，選用聚氨酯彈性體作為主體材料去制備具有多級微納米結構的彈性纖維，將具有重要意義。

微納米技術，是指采用一定方法和技術手段，如模板法、激光刻蝕技術、相分離法、靜電紡絲技術、自組裝法、噴霧干燥技術、化學合成法、等離子體技術、原位復合法、物理共混技術等，使材料在微觀和納觀尺度上具有與天然生物材料相似完美的微納米結構，進而賦予材料最佳的綜合性能。以聚氨酯彈性體為基體材料，同時引入納米粒子，并采用微納米技術，制備具有多級微納米結構的彈性纖維，將是一種新的挑戰。

據報道，在蜘蛛絲天然的紡絲過程中，首先，形成了高濃度的蛋白溶液，并被儲存在絲腺體的內腔中。接著，蛋白溶液流進逐漸變尖細的紡絲導管中，伴隨著水溶劑的抽出、離子的交換、以及pH值的改變，絲蛋白在紡絲導管中開始自組裝，形成具有多級微納米結構的初始絲。最后，所形成的初始絲從紡絲導管中擠出，在空氣中被拉伸，同時在空氣中被干燥、移除殘余的水溶劑，得到最終的蜘蛛絲。在這個天然的紡絲過程中，一個關鍵的程序是：在逐漸變尖細的紡絲導管中，絲蛋白在氫鍵和憎水作用的驅動下首先自組裝成β片，并進一步組裝成軟的微膠粒(直徑10～100nm)，緊接著微膠粒又轉變成亞穩態的液晶結構；在水溶劑的抽出、離子交換以及pH值轉變的觸發下，亞穩態的液晶結構進一步轉變成更多的β片結構，最后，具有多級微納米結構的初始絲在紡絲導管中就形成了。在傳統人造纖維的紡絲過程中，這個程序通常是很難出現的。

鑒于以上的背景介紹，本發明嘗試，直接模仿蜘蛛絲天然的紡絲過程，以聚氨酯彈性體為主體材料，同時引入納米粒子，并采用微納米技術，仿生制備具有多級微納米結構的彈性纖維，并提出其獨特的仿生制備方法和紡絲工藝。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有多級微納米結構的彈性纖維及其仿生制備方法，即通過直接模仿蜘蛛絲天然的紡絲過程，制備具有多級微納米結構的彈性纖維，并提出其獨特的仿生制備方法和紡絲工藝。

本發明中，所制備的具有多級微納米結構的彈性纖維有以下8種：