[发明专利]一种人造蜘蛛丝的水凝胶纤维及其制备方法

说明书

一种人造蜘蛛丝的水凝胶纤维及其制备方法。所述人造蜘蛛丝是由丙烯酸和二氧化硅纳米粒子聚合形成水凝胶纤维，而后通过水蒸发诱导纤维自组装而生成的。该人造蜘蛛丝由具有核壳结构的水凝胶纤维组成，其力学性能可通过离子掺杂和加捻进行增强。纤维的拉伸强度为895MPa，可拉伸性为44.3％，可实现与蜘蛛丝相当的机械性能。该材料还具有370MJ m^‑3的高韧性和95％的阻尼能力。当用于缓冲时，水凝胶纤维仅显示出棉纱冲击力的1/9，并且回弹可忽略不计。这项工作为人造蜘蛛丝的制备开辟了一条途径，并可将其应用于动能缓冲和减震领域。

技术领域

本发明属于仿生领域，特别涉及一种人造蜘蛛丝的水凝胶纤维及其制备方法。

背景技术

蜘蛛丝是一种天然的水凝胶纤维，具有特定的性能组合，即高强度，大延伸率和高阻尼能力，与其他纤维材料相比具有更高的韧性。先前的研究表明，蜘蛛丝具有核壳结构，芯是一个由塑性外层包围的弹性核，是提供丝线机械性能的关键部分，而外层则提供了一些抵抗外界环境影响的保护。模仿蜘蛛丝的结构特性，设计出新颖的新型纤维材料，并将其应用于减震和吸收能量等领域中，例如高层逃生绳、救生网等，在实际生活中具有重要的意义。

目前，在使用人造纤维来再现蜘蛛丝优越的机械性能方面，已经取得了一些成果。由CNT和丝蛋白制成的CNT复合纤维显示出600MPa的断裂强度，断裂应变为73％，韧性为290MJ m^-3。超分子水凝胶纤维显示出193MPa的断裂强度，断裂应变为18％，韧性22.8MJ m^-3。基于再生丝蛋白的人造丝纤维是研究最广泛的，获得优异的机械性能(断裂强度1.34GPa，断裂应变36％和韧性334MJ m^-3)。尽管这些基于再生丝蛋白的纤维具有天然蜘蛛丝的机械性能，但使用非蛋白质方法制备人造蜘蛛丝仍然是非常困难的，这极大地限制了人造蜘蛛丝在实际生活生产应用中的大规模使用。所以针对使用非蛋白质方法制备机械性能优异的人造蜘蛛丝，要求对天然蜘蛛丝的结构有一个准确的了解并将不同的结构模型(与微晶交联的无定型区域，螺旋纳米纤维和核壳结构)结合起来，这是迫切需要的。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的上述不足，针对现有技术的局限性以及特殊应用场景中的使用需求，提供一种人造蜘蛛丝的水凝胶纤维及其制备方法。

本发明的技术方案是：

一种人造蜘蛛丝的水凝胶纤维，所述纤维是由丙烯酸和二氧化硅纳米粒子聚合形成的水凝胶纤维，基于天然蜘蛛丝的核壳结构，通过由水蒸发控制的聚丙烯丙烯酸水凝胶的自组装制备而成具有核壳结构的人造蜘蛛丝纤维。包括离子掺杂、加捻和核壳结构的特点；所述核壳结构是由透明的芯和不透明的壳组成，从材料学的角度来看，纤维的核和壳都是由相同的聚合物(丙烯酸和二氧化硅纳米粒子)组成，相较于核来说，壳具有较少的水含量，随着纤维暴露在空气中的时间延长，芯逐渐减少，而壳的厚度逐渐增加。

纤维包含氢键和共价网络，其关键机理是纤维核和纤维壳的水蒸发速率之间的差异。水凝胶由与乙烯基官能化的二氧化硅纳米粒子(VSNP)交联的聚丙烯酸组成。纤维是使用木棍从上述水凝胶中通过拉伸法制成的，并且通过向水凝胶中添加离子(称为离子掺杂)并向纤维中插入捻度来对其进行增强。

该纤维具有895MPa的拉伸强度，44.3％的可拉伸性，28.7GPa的模量，370MJm^-3的高韧性和95％的阻尼能力，显示出与天然蜘蛛丝相当的机械性能。

一种人造蜘蛛丝的水凝胶纤维及其制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将将20mM乙烯基三乙氧基硅烷加到30g水里搅拌12h，直至油状液滴消失，变成透明的乙烯基硅烷溶液；

步骤2：将步骤1制备的乙烯基硅烷溶液稀释，质量浓度为0.1％-0.5％；