水凝膠纖維與傳統(tǒng)水凝膠相比，通常具有更好的機械性能，在高強韌、輕量化設(shè)計材料領(lǐng)域中具有重要價值。目前，多種紡絲技術(shù)已被用于制備水凝膠微纖維，但這些技術(shù)大多數(shù)存在著高能耗和復(fù)雜制備過程。另外，化學交聯(lián)策略的引入使得水凝膠纖維材料難以回收，與國家倡導(dǎo)的綠色環(huán)保以及低碳生產(chǎn)理念相悖。因此，在溫和的水環(huán)境條件下，模擬生物紡絲，開發(fā)一種可回收、環(huán)保及節(jié)能的高強韌水凝膠纖維，仍是一個亟待解決的難題。
天然蛛絲結(jié)合了高強度和高韌性，能夠在斷裂前吸收巨大的能量，其非凡的機械性能源于自身的多級結(jié)構(gòu)，包括β-納米晶區(qū)、無定形蛋白基質(zhì)和鞘核結(jié)構(gòu)。且天然蛛絲作為肽基材料，在自然環(huán)境條件下能夠緩慢分解，不必擔心廢棄回收的問題。受天然蛛絲的多級結(jié)構(gòu)和紡絲工藝啟發(fā)，天津工業(yè)大學王潤研究員、劉雍教授以及南開大學劉遵峰教授合作報道了一種簡單且高效的拉伸紡絲工藝，可在環(huán)境條件下連續(xù)生產(chǎn)高強韌聚丙烯酰胺水凝膠微纖維。該水凝膠微纖維具有類似蛛絲的由水蒸發(fā)誘導(dǎo)的自組裝產(chǎn)生的鞘核結(jié)構(gòu)和氫鍵納米團簇，能夠承載重量超過自身50000倍的物體。通過傳統(tǒng)紡織牽伸與加捻技術(shù)，進一步優(yōu)化了微纖維內(nèi)部的氫鍵納米團簇，使其在強度、韌性和阻尼能力上達到了與天然蛛絲以及大部分合成纖維媲美的水平。
圖1. 受蜘蛛絲啟發(fā)的高強高韌水凝膠微纖維
圖2. 水凝膠微纖維紡絲液的可紡性
利用傳統(tǒng)紡織牽伸技術(shù)，調(diào)控纖維內(nèi)部的氫鍵納米團簇，水凝膠微纖維表現(xiàn)出高強度(525 MPa)和高韌性(196 MJ m-3)。偏振光顯微鏡、小角X射線散射和拉曼測試分析了牽伸過程中氫鍵納米團簇結(jié)構(gòu)的演變。結(jié)果表明，聚丙酰胺纖維形成的氫鍵簇初級尺寸約19 nm，并聚集為平均尺寸約76 nm的納米團簇。對于牽伸應(yīng)變?yōu)?0%的水凝膠微纖維，納米團簇聚集體的尺寸增加到82 nm。隨著牽伸應(yīng)變的增加，纖維內(nèi)部結(jié)合水氫鍵的比例也隨之提高。這種獨特的氫鍵納米團簇結(jié)構(gòu)為水凝膠微纖維帶來了優(yōu)異的強度與韌性。
圖4. 水凝膠微纖維的牽伸和增韌機制
圖5. 水凝膠微纖維的加捻和應(yīng)用
這項工作介紹了一種制備高強高韌且可回收的水凝膠基纖維材料的新策略，適用于需要抗沖擊和抗變形的應(yīng)用場景，如救生索、捕捉網(wǎng)和降落傘繩索。
以上研究成果近期以“Bioinspired Mechanically Robust and Recyclable Hydrogel Microfibers Based on Hydrogen-Bond Nanoclusters”為題，發(fā)表在《Advanced Science》(DOI: 10.1002/advs.202401278)上。天津工業(yè)大學紡織科學與工程學院碩士研究生梁敬業(yè)為文章第一作者，王潤研究員為論文通訊作者。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202401278
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