【摘要】
當前，世界面臨著不可再生化石資源逐漸枯竭、不可降解塑膠垃圾對陸地和海洋生態環境的嚴重危害等問題。由於對纖維資料需求的快速增長，開發高性能生物質基纖維已成為减少對石油基合成纖維依賴的重要研究課題。最近，武漢大學蔡傑教授團隊開發了一種新型的綠色濕紡策略用於通過兩步拉伸工藝從KOH/尿素水溶液製造超强和超硬殼聚糖長絲。
所得長絲的高度有序的分層結構有助於其優异的機械效能。殼聚糖長絲的拉伸强度和楊氏模量分別為878±123 MPa和44.7±12.3 GPa，這些值與蜘蛛絲和細菌纖維素的值相當。該研究製備的殼聚糖長絲在比强度和模量方面均優於低密度鋼。本研究提出的綠色和可擴展策略將拓寬殼聚糖長絲在柔性生物電子學、生物資料和紡織品中的應用範圍。相關論文以題為Super-Strong and Super-Stiff Chitosan Filaments with Highly Ordered Hierarchical Structure發表在《Advanced FunctionalMaterials》上。
【主圖導讀】
圖1a）通過兩步拉伸過程濕紡製備殼聚糖長絲和分層結構。b）蝦殼、c）殼聚糖粉、d）殼聚糖溶液、e）G-ChFs和f）D-ChFs的照片。g）打結的殼聚糖長絲的SEM影像。h）承載2 kg重量而不斷裂的殼聚糖長絲的照片。
圖2a）FT-IR光譜，b）XRD圖案，c）13C NMR光譜，以及d）幾丁質粉末、殼聚糖粉末和殼聚糖長絲的TG曲線。
圖3a-d）G-ChFs-I表面的SEM影像和e-h）D-ChFs-I表面的AFM影像，λ1值為0.68（a，e），1.05（b，f））、1.20（c，g）和1.35（d，h）。箭頭表示繪製方向。i）（h）中D-ChFs-I表面的SEM影像。插圖顯示了相應的橫截面。j-l）λ1= 0.68（j）、D-ChFs-Iλ1= 0.68（k）和1.35（l）的G-ChFs-I的WAXD模式。m）具有不同λ1值的G-ChFs-I和D-ChFs-I的直徑統計資料。n）具有不同λ1值的D-ChFs-I的2D WAXD圖案的方位角積分强度分佈曲線。o）λ1值對方向參數f的影響。
圖4a-d）G-ChFs-II表面的SEM影像和e-h）D-ChFs-II表面的AFM影像，其中λ1= 1.35和λ2= 1.25（a，e），1.5（b，f）、1.75（c，g）和2.0（d，h）。箭頭表示繪製方向。i）（h）中D-ChFs-II表面的SEM影像。插圖顯示了相應的橫截面。j-l）λ2= 1.25（j）、D-ChFs-IIλ2= 1.25（k）和2.0（l）的G-ChFs-II的WAXD模式。m）具有不同λ2值的G-ChFs-II和D-ChFs-II的直徑統計資料。n）具有不同λ2值的D-ChFs-II的2D WAXD圖案的方位角積分强度分佈曲線。o）λ2值對方向參數f的影響。
圖5a-c）SAXS圖案，b-f）D-ChFs-I的SEM影像，λ1= 0.68（a，d）和1.35（b，e），D-ChFs-IIλ2= 2.0（c，F）。SAXS圖案中的箭頭顯示了纖維方向。SEM影像顯示了D-ChFs-I和D-ChFs-II在拉伸變形下的斷裂橫截面。g）（f）中D-ChFs-II的偏振拉曼光譜，雷射束偏振平行和垂直於光纖軸。從拉伸模式强度在h，k）2885 cm−1，i，l）1656 cm−1和j，m）1098 cm−1獲得的D-ChFs-II的拉曼影像，雷射束偏振平行（h-j）並垂直於（k-m）纖維軸。
圖6a-d）G-ChFs-I和e-h）D-ChFs-I在不同濃度和溫度的KCl和乙醇水溶液中的機械效能。λ1和λ2值分別為0.68和1.0。具有不同i）拉伸比和j）RH水准的D-ChFs-II的機械效能。k）本研究中製備的殼聚糖長絲和其他天然、合成和金屬纖維的比强度與比楊氏模量曲線。
【總結】
團隊開發了一種綠色濕紡策略，用於從KOH/尿素水溶液製造超强和超硬殼聚糖長絲。殼聚糖長絲的高度有序的層次結構有助於其優异的機械效能。殼聚糖長絲的拉伸强度和楊氏模量分別為878±123 MPa和44.7±12.3 GPa。這些值與蜘蛛絲和細菌纖維素的值相當。殼聚糖長絲在比强度和模量方面優於低密度鋼。應該強調的是，本研究中提出的合成策略不僅產生了具有優异機械效能的殼聚糖長絲，而且還是傳統纖維製備方法的一種有前途的環保替代品。這項研究為殼聚糖纖維的製造提供了一種可擴展的科技，將有助於實現其在柔性生物電子學、生物資料和紡織品等各個領域的實際應用，以從可再生和永續的海洋生物質中替代傳統的化石纖維資料。
參考文獻：
doi.org/10.1002/adfm.202104368
原文刊載於【高分子材料科學】公眾號
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