技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高分子纖維材料技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)是涉及一種具有多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)的彈性纖維及其仿生制備方法，與仿生科學(xué)、微納米技術(shù)、材料科學(xué)和纖維紡織技術(shù)有關(guān)。

背景技術(shù)

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(fù)眼、魚(yú)鱗、壁虎腳等，進(jìn)化了上億年而具有完美的多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)。也正是由于這種多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)，這些天然的生物材料具有許多獨(dú)特的功能，如超憎水性、自清潔、結(jié)構(gòu)顏色、抗反射、防霧、抗污染、減阻、可逆粘合等。基于仿生學(xué)原理，模仿天然生物材料的多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)、制備新型的結(jié)構(gòu)和功能材料，已成為材料科學(xué)領(lǐng)域里的一個(gè)重要發(fā)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(yōu)秀的性質(zhì)和功能，如非凡的力學(xué)性能、極好的形狀記憶效應(yīng)、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(yōu)秀的性質(zhì)，蜘蛛絲已經(jīng)被開(kāi)發(fā)用在航空航天、軍事、建筑、農(nóng)業(yè)、水收集、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。進(jìn)一步的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，蜘蛛絲這些優(yōu)秀的性質(zhì)和功能，主要?dú)w功于兩個(gè)方面的原因：(1)蜘蛛絲的獨(dú)特天然的紡絲過(guò)程；(2)蜘蛛絲的多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，通過(guò)模仿蜘蛛絲的多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)，如模仿蜘蛛牽引絲的蛋白納米晶增強(qiáng)無(wú)定型相結(jié)構(gòu)，或者模仿蜘蛛俘獲絲的周期性軸節(jié)結(jié)構(gòu)，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種有特色的結(jié)構(gòu)和功能纖維材料。通過(guò)改進(jìn)的凝固浴基于的纖維紡絲技術(shù)，制備了一種單壁碳納米管/聚乙烯醇復(fù)合纖維，該纖維具有極高的強(qiáng)度和韌性；通過(guò)多重脈沖氣相滲透技術(shù)，生產(chǎn)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(qiáng)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(guò)該過(guò)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(jié)結(jié)構(gòu)，這種周期性的軸節(jié)結(jié)構(gòu)可以驅(qū)使小水滴在纖維上有方向性地移動(dòng)；通過(guò)共軸電紡和電噴結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一種聚乙烯醇/聚苯乙烯復(fù)合纖維，該纖維具有珠線相連的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。從這些具有多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)纖維的報(bào)道中，可以發(fā)現(xiàn)，一方面，纖維的制備方法是極其重要的，另一方面，還沒(méi)有具有多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)彈性纖維的報(bào)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(diǎn)，被廣泛用于航空、機(jī)電、船舶、車輛、土木建筑、輕工、紡織等領(lǐng)域。聚氨酯彈性體已經(jīng)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(zhǎng)率大、彈性回復(fù)率高、耐疲勞性優(yōu)越、染色性好等優(yōu)點(diǎn)。此外，聚氨酯彈性體和蜘蛛絲蛋白具有許多相似的結(jié)構(gòu)特征，如嵌段型分子鏈、穩(wěn)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(jí)微納米結(jié)構(gòu)的彈性纖維，將具有重要意義。

微納米技術(shù)，是指采用一定方法和技術(shù)手段，如模板法、激光刻蝕技術(shù)、相分離法、靜電紡絲技術(shù)、自組裝法、噴霧干燥技術(shù)、化學(xué)合成法、等離子體技術(shù)、原位復(fù)合法、物理共混技術(shù)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(jié)構(gòu)，進(jìn)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(shí)引入納米粒子，并采用微納米技術(shù)，制備具有多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)的彈性纖維，將是一種新的挑戰(zhàn)。

據(jù)報(bào)道，在蜘蛛絲天然的紡絲過(guò)程中，首先，形成了高濃度的蛋白溶液，并被儲(chǔ)存在絲腺體的內(nèi)腔中。接著，蛋白溶液流進(jìn)逐漸變尖細(xì)的紡絲導(dǎo)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(dǎo)管中開(kāi)始自組裝，形成具有多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)的初始絲。最后，所形成的初始絲從紡絲導(dǎo)管中擠出，在空氣中被拉伸，同時(shí)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(gè)天然的紡絲過(guò)程中，一個(gè)關(guān)鍵的程序是：在逐漸變尖細(xì)的紡絲導(dǎo)管中，絲蛋白在氫鍵和憎水作用的驅(qū)動(dòng)下首先自組裝成β片，并進(jìn)一步組裝成軟的微膠粒(直徑10～100nm)，緊接著微膠粒又轉(zhuǎn)變成亞穩(wěn)態(tài)的液晶結(jié)構(gòu)；在水溶劑的抽出、離子交換以及pH值轉(zhuǎn)變的觸發(fā)下，亞穩(wěn)態(tài)的液晶結(jié)構(gòu)進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成更多的β片結(jié)構(gòu)，最后，具有多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)的初始絲在紡絲導(dǎo)管中就形成了。在傳統(tǒng)人造纖維的紡絲過(guò)程中，這個(gè)程序通常是很難出現(xiàn)的。

鑒于以上的背景介紹，本發(fā)明嘗試，直接模仿蜘蛛絲天然的紡絲過(guò)程，以聚氨酯彈性體為主體材料，同時(shí)引入納米粒子，并采用微納米技術(shù)，仿生制備具有多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)的彈性纖維，并提出其獨(dú)特的仿生制備方法和紡絲工藝。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種具有多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)的彈性纖維及其仿生制備方法，即通過(guò)直接模仿蜘蛛絲天然的紡絲過(guò)程，制備具有多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)的彈性纖維，并提出其獨(dú)特的仿生制備方法和紡絲工藝。

本發(fā)明中，所制備的具有多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)的彈性纖維有以下8種：