CN104846449B - 一种基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维，该仿蜘蛛丝纤维由多层结构构成，包括有机聚合物层、类纳米晶结构纳米黏土层、无规则结构纳米黏土层、蛋白质聚合物层和纳米颗粒层，其中聚合物层为仿蜘蛛丝纤维的最内层，纳米黏土层与聚合物层相连，纳米颗粒层为仿蜘蛛丝纤维的最外层，经同轴多组份喷头纺丝得到基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维。本方法制备的基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维质地轻，表面疏水，具有聚水能力，而且力学性能较佳，优于传统纤维。
Description
技术领域：
本发明属于纺织材料技术领域，具体涉及一种基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维。
背景技术：
自然界的创造力总是鬼斧神工，将天然生物材料具有最合理、最优化的宏观、微观的完美结合，并具有自适应性和自愈合能力。蜘蛛丝是自然界产生最好的结构和功能材料之一，它是蜘蛛经由丝腺体分泌的一种天然蛋白生物材料，直径为1-10μm，属于生物弹性体纤维，具有优良的力学性能。
天然蜘蛛丝是由不同氨基酸单元组成的链段共聚物，其二次结构主要包括β折叠构象和螺旋构象。β折叠链构成硬段区域，通过氢键作用堆砌形成β折叠片纳米晶分散在材料中，在纤维受到拉伸时，纳米晶沿轴向分布，提高天然蜘蛛丝的强度，螺旋构象构成软段区域，赋予天然蜘蛛丝优良的弹性，而且硬段区域与软段区域呈多层次分布，密度低，性能均一。
模仿生物，向自然界学习，采用仿生学原理、设计、合成并制备类似天然生物材料的仿生材料，将自然界的创造力运用到生活和工作领域。自组装技术是指构成元素在不受人类外力的介入，自发聚集组织形成较为规则结构的想象，结晶也属于自组装的一种。目前将自组装技术运用到仿生领域已较为常见。
中国专利CN 102776785B(公开日2012.11.14)公开的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝及其制备方法，是将普通人造丝浸入到含有聚合物的溶液，将人造丝水平拉出，由于溶液的不稳定性，聚合物成一串液滴悬挂在人造丝的表面，经干燥固化得到轴向排列的仿锥结，得到类似蜘蛛丝结构的集水聚合物丝。中国专利CN 103334244 A(公开日2013.10.2)公开的一种电纺珠串纤维的自组装制备方法，该发明是在上述发明的基础上，采用静电纺丝技术，在人造纤维的表面自组装形成微米级珠串结构，该种方法制备过程简单，成本低，可用于大规模生产。
由上述现有技术可知，目前利用自组装技术针对蜘蛛丝的仿生多集中与其对于对水珠的集水功能，其他性能方面的应用较为少见。本发明是针对蜘蛛丝的硬段与软段的多层结构，采用层层自组装技术，制备得到质地轻，力学性能较好的仿蜘蛛丝纤维。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维，采用聚合物溶液与纳米黏土作为原料，经同轴多组份喷头纺丝得到多层次的仿蜘蛛丝纤维，该仿蜘蛛丝纤维中含有多层结构，每层结构根据自身材料性质自组装形成结构，多层结构构成仿蜘蛛丝纤维。本方法一次成型，操作简便，易于工业化生产，制备的仿蜘蛛丝纤维质地轻，表面疏水，具有聚水能力，而且力学性能较佳。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维，其特征在于，所述仿蜘蛛丝纤维由多层结构构成，所述多层结构包括聚合物层，纳米黏土层和纳米颗粒层，所述聚合物层由高分子聚合物构成，所述纳米黏土层由管状黏土构成，所述纳米颗粒层由纳米粒子构成，所述多层结构的层数至少4层，所述聚合物层为仿蜘蛛丝纤维的最内层，所述纳米黏土层与聚合物层相连，所述纳米颗粒层为仿蜘蛛丝纤维的最外层。
优选地，所述管状黏土为蒙脱石黏土，所述高分子聚合物为有机聚合物或者蛋白质聚合物，所述纳米粒子的直径为100-150nm。
优选地，所述仿蜘蛛丝纤维采用同轴多组份喷头纺丝制成。
优选地，所述同轴多组份喷头的组份数为4-6。
优选地，所述纳米黏土层的分布形成类纳米晶结构或者无规则结构。
优选地，所述仿蜘蛛丝纤维的结构依次为有机聚合物层、类纳米晶结构纳米黏土层、蛋白质聚合物层和纳米颗粒层。
优选地，所述仿蜘蛛丝纤维的结构依次为有机聚合物层、类纳米晶结构纳米黏土层、有机聚合物层、无规则结构纳米黏土层、蛋白质聚合物层和纳米颗粒层。
优选地，所述仿蜘蛛丝纤维的结构依次为蛋白质聚合物层、无规则结构纳米黏土层、有机聚合物层、类纳米晶结构纳米黏土层、蛋白质聚合物层和纳米颗粒层。
优选地，所述仿蜘蛛丝纤维中纳米黏土的质量分数为3-5％，纳米颗粒的质量分数为2-3％。
优选地，所述仿蜘蛛丝纤维的直径为10-15μm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)纳米黏土的重量轻，通过控制条件，纳米黏土可以形成类纳米晶结构或者无规则结构，纳米黏土与聚合物相结合，可以使复合材料具有很高的力学性能，而且纳米黏土能阻隔空气，能赋予复合材料阻热、阻燃等性能。
(2)纳米颗粒可以在纤维的表面形成细密的凸点，增加纤维的聚水能力，得到类似蜘蛛丝的性能。
(3)本发明制备的仿蜘蛛丝纤维采用多组份层状同轴排列结构，聚合物保证纤维的基本性能，添加纳米黏土和纳米颗粒提高纤维的力学性能和聚水能力，而且采用层层自组装结构制备的纤维，结构上不受人为的干预，受人为的影响小，性能上更加趋于稳定，有利于量产。
具体实施方式：
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：
一种基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维直径为10μm，由4层自组装结构构成，该自组装结构依次包括有机聚合物层、类纳米晶结构纳米管状蒙脱石黏土层、蛋白质聚合物层和纳米颗粒层，其中聚合物层为仿蜘蛛丝纤维的最内层，纳米颗粒层为仿蜘蛛丝纤维的最外层，其中纳米黏土的质量分数为3％，纳米颗粒的直径为100-150nm，质量分数为2％。
实施例2：
一种基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维直径为15μm，由6层自组装结构构成，该自组装结构依次包括有机聚合物层、类纳米晶结构纳米黏土层、有机聚合物层、无规则结构纳米黏土层、蛋白质聚合物层和纳米颗粒层，其中聚合物层为仿蜘蛛丝纤维的最内层，纳米颗粒层为仿蜘蛛丝纤维的最外层，其中纳米黏土的质量分数为5％，纳米颗粒的直径为100-150nm，质量分数为3％。
实施例3：
一种基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维直径为13μm，由6层自组装结构构成，该自组装结构依次包括蛋白质聚合物层、无规则结构纳米黏土层、有机聚合物层、类纳米晶结构纳米黏土层、蛋白质聚合物层和纳米颗粒层，其中聚合物层为仿蜘蛛丝纤维的最内层，纳米颗粒层为仿蜘蛛丝纤维的最外层，其中纳米黏土的质量分数为4％，纳米颗粒的直径为100-150nm，质量分数为2.1％。
实施例4：
一种基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维直径为12μm，由4层自组装结构构成，该自组装结构依次包括有机聚合物层、类纳米晶结构纳米管状蒙脱石黏土层、蛋白质聚合物层和纳米颗粒层，其中聚合物层为仿蜘蛛丝纤维的最内层，纳米颗粒层为仿蜘蛛丝纤维的最外层，其中纳米黏土的质量分数为5％，纳米颗粒的直径为100-150nm，质量分数为3％。
实施例5：
一种基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维直径为13μm，由6层自组装结构构成，该自组装结构依次包括有机聚合物层、类纳米晶结构纳米黏土层、有机聚合物层、无规则结构纳米黏土层、蛋白质聚合物层和纳米颗粒层，其中聚合物层为仿蜘蛛丝纤维的最内层，纳米颗粒层为仿蜘蛛丝纤维的最外层，其中纳米黏土的质量分数为3.4％，纳米颗粒的直径为100-150nm，质量分数为2.3％。
实施例6：
一种基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维直径为13μm，由6层自组装结构构成，该自组装结构依次包括蛋白质聚合物层、无规则结构纳米黏土层、有机聚合物层、类纳米晶结构纳米黏土层、蛋白质聚合物层和纳米颗粒层，其中聚合物层为仿蜘蛛丝纤维的最内层，纳米颗粒层为仿蜘蛛丝纤维的最外层，其中纳米黏土的质量分数为4.3％，纳米颗粒的直径为100-150nm，质量分数为2.7％。
经检测，实施例1-6制备的基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维的力学性能和聚水性能的结果如下所示：
由上表可见，本发明制备的基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维虽然与天然蜘蛛丝的性能相比仍存在差异，但是其力学性能和聚水能力远优于传统纤维。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维，其特征在于，所述仿蜘蛛丝纤维由多层结构构成，所述多层结构包括聚合物层，纳米黏土层和纳米颗粒层，所述聚合物层由高分子聚合物构成，所述纳米黏土层由管状黏土构成，所述纳米颗粒层由纳米粒子构成，所述多层结构的层数至少4层，所述聚合物层为仿蜘蛛丝纤维的最内层，所述纳米黏土层与聚合物层相连，所述纳米颗粒层为仿蜘蛛丝纤维的最外层，所述管状黏土为蒙脱石黏土，所述高分子聚合物为有机聚合物或者蛋白质聚合物，所述纳米粒子的直径为100-150nm，所述纳米黏土层的分布形成类纳米晶结构或者无规则结构，所述仿蜘蛛丝纤维采用同轴多组份喷头纺丝制成。
2.根据权利要求1所述的一种基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维，其特征在于，所述同轴多组份喷头的组份数为4-6。
3.根据权利要求1所述的一种基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维，其特征在于，所述仿蜘蛛丝纤维的结构依次为有机聚合物层、类纳米晶结构纳米黏土层、蛋白质聚合物层和纳米颗粒层。
4.根据权利要求1所述的一种基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维，其特征在于，所述仿蜘蛛丝纤维的结构依次为有机聚合物层、类纳米晶结构纳米黏土层、有机聚合物层、无规则结构纳米黏土层、蛋白质聚合物层和纳米颗粒层。
5.根据权利要求1所述的一种基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维，其特征在于，所述仿蜘蛛丝纤维的结构依次为蛋白质聚合物层、无规则结构纳米黏土层、有机聚合物层、类纳米晶结构纳米黏土层、蛋白质聚合物层和纳米颗粒层。
6.根据权利要求1所述的一种基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维，其特征在于，所述仿蜘蛛丝纤维中纳米黏土的质量分数为3-5％，纳米颗粒的质量分数为2-3％。
7.根据权利要求1所述的一种基于层层自组装的仿蜘蛛丝纤维，其特征在于，所述仿蜘蛛丝纤维的直径为10-15μm。
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Inventor after: Fang Zhenxiang Inventor before: Liu Huibao |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20171102 Address after: 350200 Fujian city of Fuzhou province Changle City Luo Lian Xiang Fang CuO Cun ancestral hall No. 1 Applicant after: Fang Zhenxiang Address before: 313026 Zhejiang Province, Huzhou city Nanxun District Hefu town re trillion Industrial Park Applicant before: Huzhou Linghu Zhongzhao Jinhui Silk Weaving Factory |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20181024 Address after: 233010 409 Wu Wan Road, Yuhui District, Bengbu, Anhui Patentee after: BENGBU JINSHI NEW MATERIAL Co.,Ltd. Address before: 230031 B-1014, 10 floor, business office building, Wo Ye garden, Shushan District, Hefei, Anhui. Patentee before: HEFEI WISDOM LOTUT INTELLECTUAL PROPERTY Co.,Ltd. Effective date of registration: 20181024 Address after: 230031 B-1014, 10 floor, business office building, Wo Ye garden, Shushan District, Hefei, Anhui. Patentee after: HEFEI WISDOM LOTUT INTELLECTUAL PROPERTY Co.,Ltd. Address before: 350200 No. 1, ancestral hall, Fang CuO village, Luo Lian Township, Changle City, Fuzhou, Fujian Patentee before: Fang Zhenxiang |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20181126 Address after: 224400 Five Groups of Bisheng Residential Committee of Funing Economic Development Zone, Yancheng City, Jiangsu Province Patentee after: YANCHENG WANHENG HOME TEXTILE Co.,Ltd. Address before: 233010 409 Wu Wan Road, Yuhui District, Bengbu, Anhui Patentee before: BENGBU JINSHI NEW MATERIAL Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171128 Termination date: 20200615 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |