蜘蛛絲啟發！超強韌聚合物纖維的制備

發布時間：2019-12-06 11:17 原文鏈接：蜘蛛絲啟發！超強韌聚合物纖維的制備

　　1、強韌如蜘蛛絲

　　在過去的半個世紀里，蜘蛛絲一直是人們感興趣的長期研究課題之一，因為它有著類似鋼鐵和凱夫拉爾纖維的顯著的力學性能，前者強且硬但是材料過重，后者強而軟但是可拉伸性欠缺。按照常理，拉升強度的上升必然伴隨著韌性的下降，反之亦然。但蜘蛛絲卻集這些優點于一身，強、軟、輕且可拉伸，因此有非凡的韌性，是高性能應用的理想材料，如能量吸收、宇航服、防彈應用等。這些性能主要源于蜘蛛絲集β片、晶體、α螺旋和無規線團于一身的復合結構，β片納米晶提供強度，周圍的α螺旋和無定形微區提供延展性。但是人們難以大量獲得蜘蛛絲，因為蜘蛛會“自相殘殺”，難以人工養殖。不過這也給人造蜘蛛絲帶來了機遇。

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圖1 A)蜘蛛絲及其在自然界中的應用；B)蜘蛛絲蛋白二級結構；C)本實驗得到的與蜘蛛絲結構相似的類蛋白聚合纖維；D)類蛋白纖維材料中二級結構的設計；E)得到的類蛋白聚合物纖維的韌性與天然纖維韌性值的比較。

　　2、模仿蜘蛛絲結構制備類蛋白纖維

　　香港理工大學胡金蓮教授團隊模仿蜘蛛絲的這種特殊結構，利用人造類蛋白聚合物制備高性能纖維。他們制備了端氨基的多肽聚（γ-苯基-L-谷氨酸）（PBLA），當聚合度大于18，PBLA會形成α螺旋的二級結構，當聚合度小于18，PBLA中既會存在α螺旋結構，也會存在β片晶體結構。因此，作者將聚合物控制在15左右，使PBLA同時具有蜘蛛絲特有的α螺旋和β片納米晶（4-5 nm）結構，然后進一步通過尿素將PBLA與無規線團狀的聚合物聚四亞甲基醚乙二醇（PTMEG）相連。最后，作者采用干法紡絲法制備了類蛋白聚合物纖維，模擬了蜘蛛絲的自然紡絲過程。

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圖2 A)纖維制備過程示意圖；B, C)多肽和類蛋白聚合物纖維的FTIR光譜；類蛋白聚合物纖維的表面D)和橫截面E)的SEM圖像(多肽含量: 41.5 wt%)

　　3、類蛋白聚合物纖維的優異性能

　　作者制備的這種纖維有優異的力學性能，拉伸強度≈100Mpa，斷裂伸長率≈750%，韌性為387 MJ m?3，是蜘蛛絲(≈160 MJ m?3)韌性的兩倍多，可與最堅韌的蜘蛛絲三筋膜蛛絲(≈320 MJ m?3)相媲美。將纖維拉伸至400%應變時，拉伸強度和模量分別能達到200和230 MPa，韌性仍能達到190 MJ m?3。作者發現，相比于α螺旋，β片納米晶與纖維強度的關聯更加緊密，因為在納米晶中會形成大量氫鍵，β片納米晶含量的增加會帶來材料結晶度和拉伸強度的增加。

　　隨后，作者還將制備的纖維和單壁碳管增強的聚氨酯纖維的性能進行了比較。雖然類蛋白聚合物纖維與聚氨酯有類似的化學結構，但是斷裂應力約是聚氨酯纖維的兩倍，強度約是聚氨酯纖維的三倍，也進一步證明其優異的力學性能源于內部模仿蜘蛛絲的α螺旋，β片納米晶和無規線團的復合結構。

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圖3不同肽含量（P1: 22.6%，P2: 41.5%）類蛋白聚合物纖維的A)應力-應變曲線、B)韌性和楊氏模量；C) 類蛋白聚合物纖維和文獻報道的其他材料的韌性與延展性的Ashby圖；D)類蛋白纖維和聚氨酯納米復合纖維的拉伸強度和延展性比較

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圖4類蛋白聚合物纖維的A)WAXD曲線以及B)結晶度、晶體尺寸和β片所占的比例

　　原文連接：

　　https://doi.org/10.1002/adma.201904311