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南開大學(xué)梁嘉杰教授團(tuán)隊(duì) Nano Lett.：一種高分子材料增強(qiáng)增韌的新策略
2023-06-23  來源：高分子科技

  材料的增強(qiáng)增韌是高分子材料的重點(diǎn)研究方向，也是一直以來的研究難點(diǎn)。天然蜘蛛絲具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度、延展性、韌性等，是力學(xué)強(qiáng)韌性能結(jié)合最好的材料之一。蜘蛛絲優(yōu)異的機(jī)械性能主要源于其多級結(jié)構(gòu)。其一級結(jié)構(gòu)是β-片狀納米晶為交聯(lián)點(diǎn)以及富甘氨酸無定形區(qū)，通過納米晶交聯(lián)提高蜘蛛絲力學(xué)強(qiáng)度，通過無定型區(qū)提高蜘蛛絲的延展性；其二級結(jié)構(gòu)是β-片狀納米晶中取向排列的β-strands，并通過黏滑形變提供能量耗散進(jìn)一步提高蜘蛛絲的延展性和韌性。通過模仿蜘蛛絲結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)材料的增強(qiáng)增韌是一直以來的研究熱點(diǎn)，但是要真正想達(dá)到蜘蛛絲優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，仍然是一個挑戰(zhàn)。



  近期，南開大學(xué)材料學(xué)院梁嘉杰教授和中科大吳恒安教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)策略，模擬蜘蛛絲特殊的多級結(jié)構(gòu)，制備了具有高強(qiáng)、高韌、高延展性的人造纖維材料。作者通過在聚乙烯醇纖維中引入兩種互相獨(dú)立的交聯(lián)點(diǎn)結(jié)構(gòu)：具有剛性的纖維素納米晶交聯(lián)點(diǎn)以及可滑移的聚輪烷交聯(lián)點(diǎn)，在纖維內(nèi)部構(gòu)筑雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中，由于纖維素納米晶本征高強(qiáng)高模量的特征，其作為交聯(lián)點(diǎn)可形成剛性的高分子網(wǎng)絡(luò)，提高纖維材料的力學(xué)強(qiáng)度。而滑輪材料聚輪烷作為交聯(lián)點(diǎn)可形成機(jī)械聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，通過滑輪效應(yīng)，極大提升纖維材料的延伸率和力學(xué)韌性。兩種網(wǎng)絡(luò)作用機(jī)理不同，不會互相影響，讓纖維的強(qiáng)度與應(yīng)變同時得到提升，解決增強(qiáng)-增韌的矛盾性，為強(qiáng)韌材料的制備提供一種新思路。 



  同時，所獲得的人造纖維材料還具有類似于蜘蛛絲的抗沖擊以及形狀記憶等特性，并可用于對高分子復(fù)合材料的力學(xué)增強(qiáng)中，極大提高復(fù)合材料的抗疲勞性能。該工作以“Biomimetic Super tough, Strong and Ductile Artificial Polymer Fiber based on Immovable and Slidable Crosslinks”為題發(fā)表在《Nano Letters》上。南開大學(xué)碩士生孔振和中科大研究生侯遠(yuǎn)震為共同一作。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。該工作也是梁嘉杰團(tuán)隊(duì)近期在高分子納米復(fù)合材料增強(qiáng)增韌方向（Adv. Mater. 2023, 35,  2209527）的延續(xù)性工作。


 

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c01786

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