科研人員研製出新型仿生增強增韌納米複合纖維材料

基於生物質來源的高性能納米複合材料正逐漸發展成為未來結構和功能應用的理想材料。由植物組織分離或細菌發酵得到的納米尺度纖維素，儲藏豐富、密度低、熱穩定性好、力學性能出色，同時可降解、可再生、可持續，受到諸多關注。科學家希望利用其研製出宏觀尺度的高性能纖維素基纖維材料，但當前所制纖維素基宏觀纖維材料的強度和韌性之間的矛盾尚未得到解決。高強度的獲得往往以犧牲其斷裂延伸率和韌性為代價，低韌性、易脆斷等問題嚴重限制此類材料在先進織物等領域中的實際應用。

在自然界中，許多植物纖維（如麻纖維、棉纖維等）和動物纖維（如毛髮、蠶絲等）都有效規避了強、韌之間的矛盾，實現了高強度和高韌性的組合。已有研究表明，這些典型的生物結構材料具有一些共性：它們都是天然的納米複合材料，由高度取向的高強度納米纖維單元包裹在較柔軟的有機物基質中構成，並具有高度有序的多級螺旋纏繞結構。

近日，中國科學技術大學教授俞書宏團隊借鑒天然生物纖維策略，研製出一種既強又韌的宏觀尺度纖維素基納米複合纖維材料。

研究人員以高強度細菌納米纖維素作為增強基元，以海藻酸鈉生物大分子作為有機物基質，將兩者的複合水溶液進行溶液紡絲，得到拉伸強度初步提升的單取向結構宏觀納米複合纖維（圖1a-c）。單純海藻酸鈉宏觀纖維的拉伸強度為190MPa，所得納米複合纖維的拉伸強度提高至420MPa。通過多級螺旋纏繞結構設計，該研究得到了具有類似生物纖維結構特徵的宏觀人工纖維材料（圖1d、圖2a-c），其拉伸強度繼續提升25%，斷裂延伸率和韌性則分別同步提升近50%和100%，最終拉伸強度、斷裂延伸率和韌性分別可達535MPa、16%和45MJ·m-3（圖2d-f）。

該研究解決了人工材料中強度和韌性之間難以調和的矛盾，所獲得的最高拉伸強度可和高性能纖維素基天然植物纖維相媲美，可達到的最高斷裂延伸率超過了絕大多數纖維素基天然植物纖維和人工合成的纖維素基宏觀纖維材料，且具有突出的韌性。這種仿生纖維結構設計策略有望應用於其他複雜等級結構材料的設計和製備。

相關成果以Bioinspired hierarchical helical nanocomposite macrofibers based on bacterial cellulose nanofibers為題在線發表於《國家科學評論》。論文第一作者為副研究員高懷嶺、碩士研究生趙然。

圖1.(a)仿生宏觀纖維材料的製備流程圖；(b,c)經溶液紡絲得到的濕態宏觀納米複合纖維單絲；(d)經多級螺旋纏繞得到的螺旋結構濕態宏觀納米複合纖維

圖2.(a-c)仿生宏觀纖維材料的形貌結構表徵，可見細菌納米纖維素被海藻酸鈉基質均勻包裹，且纖維整體呈現出類似天然生物纖維的多級螺旋纏繞結構；(d-f)仿生宏觀纖維材料的拉伸力學性能表徵，可見通過仿生設計使其拉伸強度、斷裂延伸率和韌性均得到顯著提升

來源：中國科學技術大學

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