一种仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维及其制备方法技术

本发明专利技术提供的仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维的制备方法，通过将含聚合物的溶液与含纳米组装基元的溶液共混，得到纳米基元‑聚合物混合溶液，并将得到的纳米基元‑聚合物混合溶液注入固定溶液中，得到不同粗细的单根原生复合纤维凝胶；然后将得到的单根原生复合纤维凝胶通过绞丝机进行多级螺旋叠加，得到多级螺旋复合纤维凝胶束；再将多级螺旋复合纤维凝胶束干燥，得到仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维，本发明专利技术得到的仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维实现了强度和韧性的同时提高，且制备方法简单，为仿生结构力学增强纤维材料领域的研究提供了新思路，而且大大拓宽了纤维材料的在纺织工程和生物医药领域中的应用范围。

A Biomimetic Multistage Helical Super Toughness Nanocomposite Fiber and Its Preparation Method

The invention provides a preparation method of a bionic multi-stage helical super toughness nano composite fiber. By blending the solution containing polymer with the solution containing a nano assembled basic element, a nano basic polymer polymer solution is obtained, and the obtained nano basic polymer polymer solution is injected into a fixed solution to obtain a single original composite fiber gel with different thickness and the obtained single root is obtained. The original composite fiber gel is multistage helical superposition through the stranded machine to obtain the multi-stage helical composite fiber condensate. Then, the multi-stage helical composite fiber gel beam is dried to obtain the biomimetic multi-stage helical super toughness nano composite fiber. The bionic multi-stage spiral super toughness nano composite fiber obtained by the invention has the same strength and toughness simultaneously, and the preparation method is simple, and is a bionic structure. The research in the field of mechanical reinforced fiber materials provides a new way of thinking, and greatly broadens the application scope of fiber materials in textile engineering and biomedical fields.

【技术实现步骤摘要】
一种仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维及其制备方法
本专利技术涉及仿生结构力学增强材料制备
，尤其涉及一种仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维及其制备方法。
技术介绍
目前，高力学性能的纤维研究备受关注，由美国航空局发起的“超强纤维挑战赛”将寻找一种高比强度和比韧性的超强纤维材料作为世界挑战，围绕力学增强纤维的相关研究也一直是国内外研究的热点。同时，随着全球环境问题的日益严重，材料对环境保护的需求也大幅增加，制备完全可生物降解、可持续利用的复合材料广受各行各业关注。由此，以便捷可行的方法制备高力学强度且具有生物降解性的复合纤维材料成为近年材料研究领域的一个重要需求。《先进材料》期刊2016年第十四期第二十八卷2834页起报道了受天然贝壳界面作用的启发以石墨烯湿纺的方法制备具有离子和共价键的协同相互作用增韧的超强石墨烯基复合纤维材料。《自然通讯》期刊2016年第七卷10701页起报道了以聚乙烯醇、碳酸钙纳米微粒、碲化镉量子点等为原料，经过湿纺-旋转绞丝两步骤制备的具有超强拉伸性的仿贝壳结构复合纤维材料。此类制备方法虽然可以获得高强度的仿生结构复合纤维材料，但是很难满足纤维在韧性和强度表现上的同时提升，从而限制了其未来的生产和实际应用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维及其制备方法，本专利技术提供的方法得到的复合纤维不仅强度高而且韧性好。本专利技术提供了一种仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维的制备方法，包括：1)将含聚合物的溶液与含纳米组装基元的溶液共混，得到纳米基元-聚合物混合溶液，其中，混合溶液中，纳米组装基元的质量占聚合物和纳米基元总质量的质量百分比为30％～70％；2)将得到的纳米基元-聚合物混合溶液注入固定溶液中，得到不同粗细的单根原生复合纤维凝胶；3)取步骤2)得到的单根原生复合纤维凝胶通过绞丝机进行多级螺旋叠加，得到多级螺旋复合纤维凝胶束；4)将多级螺旋复合纤维凝胶束干燥，得到仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维。优选的，所述含聚合物的溶液中聚合物的浓度为5～40mg/mL。优选的，所述聚合物为海藻酸钠、壳聚糖、明胶、蚕丝蛋白、胶原蛋白、聚乙烯醇和聚丙烯酸钠中的一种或几种。优选的，所述纳米组装基元为细菌纤维素纳米纤维、木质纤维素纳米纤维、几丁质纳米纤维、碳纳米管、羟基磷灰石纳米线、氧化石墨烯片、天然黏土纳米和磷酸钙纳米片中的一种或几种。优选的，所述含纳米组装基元的溶液中纳米组装基元的浓度为5-50mg/mL。优选的，所述固定溶液为无机盐溶液；所述无机盐溶液为无机盐的水溶液、无机盐的乙醇溶液、无机盐的甲醇溶液和无机盐的丙酮溶液中的一种或几种；所述无机盐为氯化钙、氯化铁、硝酸钙和硫酸钠中的一种或几种。优选的，所述无机盐溶液的浓度为0.5～2mol/L。优选的，所述多级螺旋复合纤维凝胶束由1～64股单根原生复合纤维凝胶通过多级螺旋叠加得到。优选的，所述单根原生复合纤维凝胶的直径为30～100微米。本专利技术还提供了一种本专利技术所述的制备方法制备的仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维。与现有技术相比，本专利技术提供的仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维的制备方法，通过将含聚合物的溶液与含纳米组装基元的溶液共混，得到特定组成纳米基元-聚合物混合溶液，并将得到的纳米基元-聚合物混合溶液注入固定溶液中，得到不同粗细的单根原生复合纤维凝胶；然后将得到的单根原生复合纤维凝胶通过绞丝机进行多级螺旋叠加，得到多级螺旋复合纤维凝胶束；再将多级螺旋复合纤维凝胶束干燥，得到仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维，通过实验结果表明，本专利技术的制备方法制备的仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维实现了强度和韧性的同时提高，且制备方法简单，为仿生结构力学增强纤维材料领域的研究提供了新思路，而且大大拓宽了纤维材料的在纺织工程和生物医药领域中的应用范围。附图说明图1为本专利技术中实现螺旋组装的路线示意图；图2为本专利技术实施例1中一定浓度的细菌纤维素和海藻酸钠混合溶液的扫描电镜图片；图3为本专利技术实施例1中纳米基元与聚合物组成不同比例的复合纤维应力应变比较图；图4为本专利技术实施例1提供的纳米组装基元的质量占聚合物和纳米基元总质量的质量百分比为40％时的单根原生复合纤维凝胶的截面扫描电镜照片。图5为本专利技术实施例1提供的具有螺旋结构的超韧复合纤维表面扫描照片；图6为本专利技术实施例1提供的湿纺得到的单根纤维；图7为本专利技术实施例1提供的组装后的螺旋纤维；图8为本专利技术实施例1提供的不同级别螺旋结构超韧复合纤维的测试曲线；图9为不同浓度的固定溶液制备的单根原生复合纤维拉伸应力图。具体实施方式本专利技术提供了一种仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维的制备方法，包括：1)将含聚合物的溶液与含纳米组装基元的溶液共混，得到纳米基元-聚合物混合溶液，其中，混合溶液中，纳米组装基元的质量占聚合物和纳米基元总质量的质量百分比为30％～70％；2)将得到的纳米基元-聚合物混合溶液注入固定溶液中，得到不同粗细的单根原生复合纤维凝胶；3)取步骤2)得到的单根原生复合纤维凝胶通过绞丝机进行多级螺旋叠加，得到多级螺旋复合纤维凝胶束；4)将多级螺旋复合纤维凝胶束干燥，得到仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维。按照本专利技术，本专利技术将含聚合物的溶液与含纳米组装基元的溶液共混，得到纳米基元-聚合物混合溶液，其中，所述含聚合物的溶液为含聚合物的水溶液，其中，聚合物的浓度优选为5～40mg/mL，更优选为10～30mg/mL，最优选为15～20mg/mL；所述聚合物优选为海藻酸钠、壳聚糖、明胶、蚕丝蛋白、胶原蛋白、聚乙烯醇和聚丙烯酸钠中的一种或几种，更优选为海藻酸钠、壳聚糖、明胶、蚕丝蛋白；所述含纳米组装基元的溶液中纳米组装基元的浓度优选为5-50mg/mL，更优选为10-40mg/mL，最优选为30-40mg/mL；所述纳米组装基元优选为细菌纤维素纳米纤维、木质纤维素纳米纤维、几丁质纳米纤维、碳纳米管、羟基磷灰石纳米线、氧化石墨烯片、天然黏土纳米和磷酸钙纳米片中的一种或几种，更优选为纳米组装基元为细菌纤维素纳米纤维、木质纤维素纳米纤维、氧化石墨烯片、碳纳米管；本专利技术对混合的方式没有特殊要求，本领域公知的常规混合方式均可；本专利技术得到的纳米基元-聚合物混合溶液中，所述纳米组装基元的质量占聚合物和纳米基元总质量的质量百分比(即混合溶液中纳米组装基元占总溶质质量的百分含量)为30％～70％，优选为40％～50％。按照本专利技术，本专利技术还将得到的纳米基元-聚合物混合溶液注入固定溶液中，得到不同粗细的单根原生复合纤维凝胶；其中，所述固定溶液优选为无机盐溶液；所述无机盐溶液优选为无机盐的水溶液、无机盐的乙醇溶液、无机盐的甲醇溶液和无机盐的丙酮溶液中的一种或几种；所述无机盐优选为氯化钙、氯化铁、硝酸钙和硫酸钠中的一种或几种，更优选为氯化钙、氯化铁；本专利技术对注入的方法也没有特殊要求，本领域技术人员可以根据对得到的单根原生复合纤维凝胶的要求选择合适的注入方式，本专利技术中，优选得到的单根原生复合纤维凝胶的直径为30～100微米，更优选为40～90微米。按照本专利技术，本专利技术还将步骤2)得到的单根原生复合纤维凝胶通过绞丝机进行多级螺旋叠加，得到多级螺旋复合纤维凝胶束；本专利技术中，本专利技术对绞丝机没有特殊的要求，本领域公知的可用于绞丝的装置均可，本专利技术对进行多级螺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维的制备方法，包括：1)将含聚合物的溶液与含纳米组装基元的溶液共混，得到纳米基元‑聚合物混合溶液，其中，混合溶液中，纳米组装基元的质量占聚合物和纳米基元总质量的质量百分比为30％～70％；2)将得到的纳米基元‑聚合物混合溶液注入固定溶液中，得到不同粗细的单根原生复合纤维凝胶；3)取步骤2)得到的单根原生复合纤维凝胶通过绞丝机进行多级螺旋叠加，得到多级螺旋复合纤维凝胶束；4)将多级螺旋复合纤维凝胶束干燥，得到仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维。

【技术特征摘要】
1.一种仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维的制备方法，包括：1)将含聚合物的溶液与含纳米组装基元的溶液共混，得到纳米基元-聚合物混合溶液，其中，混合溶液中，纳米组装基元的质量占聚合物和纳米基元总质量的质量百分比为30％～70％；2)将得到的纳米基元-聚合物混合溶液注入固定溶液中，得到不同粗细的单根原生复合纤维凝胶；3)取步骤2)得到的单根原生复合纤维凝胶通过绞丝机进行多级螺旋叠加，得到多级螺旋复合纤维凝胶束；4)将多级螺旋复合纤维凝胶束干燥，得到仿生多级螺旋超韧纳米复合纤维。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含聚合物的溶液中聚合物的浓度为5～40mg/mL。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物为海藻酸钠、壳聚糖、明胶、蚕丝蛋白、胶原蛋白、聚乙烯醇和聚丙烯酸钠中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米组装基元为细菌纤维素纳米纤维、木质纤维素纳米纤维、几丁质纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞书宏，赵然，高怀岭，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34