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科技前沿

美科学家利用天然丝纤维为原料制备出再生丝纤维
来源:DeepTech深科技  2017-11-22 10:28:36
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=5843
  尽管人们做了很多努力,但是人造纤维的强度仍然无法匹及天然纤维的强度。
 
  近日,美国科学家利用天然丝纤维为原料,成功制备出比天然丝纤维硬几倍的新材料,而且形状和结构复杂多样。他们把这种新材料称为“再生丝纤维(RSF)”。研究成果发表在《自然通讯》(Nature Communications)上,由麻省理工学院和塔夫斯大学的研究人员合作完成。
 
  
  天然丝纤维是指由蚕、蜘蛛等昆虫分泌出来的天然蛋白纤维。蜘蛛丝是已知的最硬材料之一。但是蜘蛛具有同类相食的个性,无法高密度养殖,而蚕就能很好地解决这一问题,产出大量的纤维。一直以来,很多研究人员都尝试制备纯合成的丝,但是产物强度都不如天然丝纤维。因此,Buehler 团队开发了一种新方法,既利用天然蚕丝本身的优良特性,又可增大其强度,而且可获得天然蚕丝无法形成的各种新颖形状和结构。
 
  他们以天然蚕丝作为基础原料,先将其破坏,然后再重组得到再生丝纤维。
 
  该方法的关键在于部分程度地破坏天然蚕丝。他们把蚕茧溶解,但并不打破分子结构,而是获得微纤维形成的中间体。这些小型的丝状中间体保留了重要的分级结构,而正是这些结构赋予了蚕丝高的强度。
 
  Buehler 是土木与环境工程系的主任,他把这种天然材料的再循环利用比喻成旧砖房的拆卸,但不是把房子拆成一堆碎石,而是把每块砖都完整地拆下来,然后再用它们去建造新结构。他表示,“正是天然材料的利用,才成就了再生丝纤维独特的强度和伸展性能。我们利用的是自然的力量。”
  制备得到的再生丝纤维,比传统的丝纤维硬 2 倍,其硬度接近蜘蛛牵丝的硬度。
 
  研究人员能够制备天然丝无法复制的各种形状,比如网状物、管状物、比天然丝更厚的纤维、线圈及片材等。这些不同形状可以利用一种适用于丝溶液的 3D 打印系统来制备。研究人员表示,可利用传统的制备方法制备再生丝纤维,很容易实现规模化生产,并且通过改变挤压速度可调控丝纤维的性能。
 
  尽管丝线和丝织品价格贵,但是这种再生丝纤维的成本主要来自于人力,因为从蚕茧中把丝拆出,然后再编织都属于劳动密集型作业。实际上,蚕和蚕茧的获取成本是比较低的。未处理的大批量蚕茧成为只要 5 美元/公斤。
 
  这项研究为新型的织物材料和功能性复合材料奠定了基础,而且未来应用广泛,比如新一代纺织物和生物传感器等。比如,丝是一种天然的生物兼容性材料,在人体内不会引起任何不良反应,所以这种新材料适合用作医用缝合线或者脚手架等生物材料。
 
  另外,再生丝纤维对湿度比较敏感,并且添加碳纳米管等负极材料涂层就可制成导体。这样就可以应用在各种敏感元件中,比如对指尖压力或者环境中的变化做出响应。例如,一个可能的应用就是可用作医护设备的床单。通过监测压力,当病人躺在同一位置太长时间的情况下自动提醒护理人员,从而帮助避免褥疮。这样的应用可以快速地付诸实施,并不存在障碍。
文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=5843