[发明专利]具有多级微纳米结构的弹性纤维及其仿生制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子纤维材料技术领域，具体来说是涉及一种具有多级微纳米结构的弹性纤维及其仿生制备方法，与仿生科学、微纳米技术、材料科学和纤维纺织技术有关。

背景技术

自然界中，许多天然的生物材料，如荷叶、蝴蝶翅膀、水黾腿、蚊子复眼、鱼鳞、壁虎脚等，进化了上亿年而具有完美的多级微纳米结构。也正是由于这种多级微纳米结构，这些天然的生物材料具有许多独特的功能，如超憎水性、自清洁、结构颜色、抗反射、防雾、抗污染、减阻、可逆粘合等。基于仿生学原理，模仿天然生物材料的多级微纳米结构，设计、制备新型的结构和功能材料，已成为材料科学领域里的一个重要发展方向。

蜘蛛丝是一种著名的、天然的弹性纤维，它具有许多优秀的性质和功能，如非凡的力学性能、极好的形状记忆效应、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。正是由于这些优秀的性质，蜘蛛丝已经被开发用在航空航天、军事、建筑、农业、水收集、生物医学等领域。进一步的调查发现，蜘蛛丝这些优秀的性质和功能，主要归功于两个方面的原因：(1)蜘蛛丝的独特天然的纺丝过程；(2)蜘蛛丝的多级微纳米结构。

据文献报道，通过模仿蜘蛛丝的多级微纳米结构，如模仿蜘蛛牵引丝的蛋白纳米晶增强无定型相结构，或者模仿蜘蛛俘获丝的周期性轴节结构，人们已经开发了几种有特色的结构和功能纤维材料。通过改进的凝固浴基于的纤维纺丝技术，制备了一种单壁碳纳米管/聚乙烯醇复合纤维，该纤维具有极高的强度和韧性；通过多重脉冲气相渗透技术，生产了一种金属锌、钛或者铝注入的蜘蛛丝，该修饰的蜘蛛丝具有提高的强度和刚度；将尼龙纤维浸入聚合物溶液中，然后水平地将纤维从溶液中拉出并干燥，通过该过程，制造了一系列的人工蜘蛛丝，该人工蜘蛛丝具有周期性的轴节结构，这种周期性的轴节结构可以驱使小水滴在纤维上有方向性地移动；通过共轴电纺和电喷结合的方法，设计了一种聚乙烯醇/聚苯乙烯复合纤维，该纤维具有珠线相连的异质结构。从这些具有多级微纳米结构纤维的报道中，可以发现，一方面，纤维的制备方法是极其重要的，另一方面，还没有具有多级微纳米结构弹性纤维的报道。

聚氨酯弹性体具有隔音、绝热、耐磨、耐油、耐光、抗老化、形状记忆等特点，被广泛用于航空、机电、船舶、车辆、土木建筑、轻工、纺织等领域。聚氨酯弹性体已经被用作原材料去制备知名的弹性纤维-氨纶，该弹性纤维具有伸长率大、弹性回复率高、耐疲劳性优越、染色性好等优点。此外，聚氨酯弹性体和蜘蛛丝蛋白具有许多相似的结构特征，如嵌段型分子链、稳定的酰胺键、丰富的氢键等。因此，选用聚氨酯弹性体作为主体材料去制备具有多级微纳米结构的弹性纤维，将具有重要意义。

微纳米技术，是指采用一定方法和技术手段，如模板法、激光刻蚀技术、相分离法、静电纺丝技术、自组装法、喷雾干燥技术、化学合成法、等离子体技术、原位复合法、物理共混技术等，使材料在微观和纳观尺度上具有与天然生物材料相似完美的微纳米结构，进而赋予材料最佳的综合性能。以聚氨酯弹性体为基体材料，同时引入纳米粒子，并采用微纳米技术，制备具有多级微纳米结构的弹性纤维，将是一种新的挑战。

据报道，在蜘蛛丝天然的纺丝过程中，首先，形成了高浓度的蛋白溶液，并被储存在丝腺体的内腔中。接着，蛋白溶液流进逐渐变尖细的纺丝导管中，伴随着水溶剂的抽出、离子的交换、以及pH值的改变，丝蛋白在纺丝导管中开始自组装，形成具有多级微纳米结构的初始丝。最后，所形成的初始丝从纺丝导管中挤出，在空气中被拉伸，同时在空气中被干燥、移除残余的水溶剂，得到最终的蜘蛛丝。在这个天然的纺丝过程中，一个关键的程序是：在逐渐变尖细的纺丝导管中，丝蛋白在氢键和憎水作用的驱动下首先自组装成β片，并进一步组装成软的微胶粒(直径10～100nm)，紧接着微胶粒又转变成亚稳态的液晶结构；在水溶剂的抽出、离子交换以及pH值转变的触发下，亚稳态的液晶结构进一步转变成更多的β片结构，最后，具有多级微纳米结构的初始丝在纺丝导管中就形成了。在传统人造纤维的纺丝过程中，这个程序通常是很难出现的。

鉴于以上的背景介绍，本发明尝试，直接模仿蜘蛛丝天然的纺丝过程，以聚氨酯弹性体为主体材料，同时引入纳米粒子，并采用微纳米技术，仿生制备具有多级微纳米结构的弹性纤维，并提出其独特的仿生制备方法和纺丝工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有多级微纳米结构的弹性纤维及其仿生制备方法，即通过直接模仿蜘蛛丝天然的纺丝过程，制备具有多级微纳米结构的弹性纤维，并提出其独特的仿生制备方法和纺丝工艺。

本发明中，所制备的具有多级微纳米结构的弹性纤维有以下8种：