[发明专利]一种具有集水特性的仿生蜘蛛丝的聚合物纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及化学仿生技术领域的一种具有集水特性的仿生蜘蛛丝的聚合物纤维及其制备方法。所述的具有集水特性的仿生蜘蛛丝的聚合物纤维包含以重量份计的以下组分：纤维基体聚合物100重量份；b.喷雾干燥粉末橡胶1～50份。所述聚合物纤维其单丝具有突起结构单元和链接结构单元相间隔分布的类蜘蛛丝的微观结构，所述突起结构单元径向高度为10～300微米，所述突起结构单元的轴向长度为10～1000微米，所述链接结构单元的直径范围为5～200微米，所述链接结构单元的长度为10～5000微米。本发明的方法采用传统的纺丝设备即可实现，无需额外增加附加设备，方法简单、稳定，可连续的大规模化进行制备；本发明获得的仿蜘蛛丝结构的纤维的成本低廉，具有良好的稳定性。

技术领域

本发明涉及化学仿生技术领域，更进一步说，涉及一种具有集水特性的仿生蜘蛛丝的聚合物纤维及其制备方法。

背景技术

当今社会，淡水资源紧缺的局面正在逐渐显现。第47届联合国大会将每年的3月22日定为“世界水日”，号召世界各国对全球普遍存在的淡水资源紧缺问题引起高度警觉。中国被联合国认定为世界上13个最贫淡水的国家之一。我国淡水资源总量名列世界第六，但人均占有量仅为世界平均值的1/4，位居世界第109位。淡水资源短缺己经在一定程度上影响了经济的发展。因此，为保证我国经济的可持续发展，解决淡水资源问题己迫在眉睫。

自然界中，蜘蛛通过蜘蛛网，在空气中收集水分用以保障生存的方式，为我们解决淡水危机提供了新的思路。观察发现，水汽的凝结主要集中于蜘蛛网的纬线部分，即蜘蛛网的捕获丝(Capture line)。通过对捕获丝的结构进行研究，发现，该捕获丝并非常规的圆柱形纤维，而是在纤维主体分布着具有周期性突起结构(Spindle-knot)和链接结构(Joint)。当捕获丝置于潮湿环境中，水汽由于冷凝作用，在纤维表面凝结、首先形成小水滴；由于纤维中突起结构和链接结构的存在，造成了捕获丝的曲率半径发生周期性的变化；这种曲率变化进一步导致位于纤维表面的水滴沿纤维径向方向受力不均，即产生拉普拉斯压力差，从而推动水滴发生移动。这种运动具有定向性：由链接结构部分(高曲率半径部分)向突起结构部分(低曲率半径部分)移动。上述水滴的定向移动有利于小液滴快速汇集形成大水珠，减少蒸发，利于空气中水分的快速收集，有望在集水工程中加以应用，特别是在昼夜温差大的沙漠、空气湿度高的海岛等地区，同时有望应用于机场、路灯和信号灯周围水汽的驱散。

现有技术中制备仿蜘蛛丝纤维的方法主要是两种，一是浸渍法，将已有的纤维进入到高分子溶液中，溶剂挥发过程中由于瑞利不稳定性，高分子溶液在纤维表面形成液滴，溶剂挥发后产生高分子物质的凸起结构，属于对纤维的后续加工；二是利用静电纺丝方法，对设备要求较高。

公开号为CN102776785A(申请号为201110223679.7)的中国专利公开的一种仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝及其制备方法：通过将普通人造丝浸入到聚合物溶液中，然后将其从溶液中沿着人造丝的轴向方向水平拉出，随后由于瑞利不稳定性，导致在所述人造丝表面上的聚合物溶液的液膜演化成一串液滴悬挂在所述人造丝上，经干燥固化得到轴向排列的纺锤结，得到类似蜘蛛丝结构的集水聚合物丝。公开号为CN102587139A(申请号为201210004686.2)的中国专利在上述专利基础之上，进一步实现了制备所得的纤维表面的突起节的高度从小到大均匀可控，其表面具有更微观的突起或微孔，增加了空气水滴的碰撞几率和铺展速度，使得集水的效率得以提高，从而增加了空气水滴的碰撞几率和铺展速度，使得集水的效率得以提高。上述两份专利均属于对现有纤维的后加工。公开号为CN103334244A(申请号为201310227113.0)的中国专利公开了一种电纺珠串纤维的自组装制备方法，该发明采用静电纺丝技术，在人造纤维的表面自组装形成微米级珠串结构，获得仿蜘蛛丝纤维。但静电纺丝的设备较为昂贵，而且能够使用静电纺丝的聚合物种类较少。

发明内容