武漢紡織大學徐衛林教授團隊《ACS AMI》:廢棄蠶絲再遇聚氨酯

蠶絲作為生物相容性良好的天然蛋白質纖維,在生產、加工和織造過程中以及使用後存在大量的廢棄物。基於可持續發展原則,徐衛林教授研究團隊采用自主專利設備,實現瞭物理法回收蠶絲廢棄物,較好的保留瞭絲素蛋白本體優異的結構和性能,且不產生二次污染物。但物理回收的未改性絲素粉體在與高分子材料復合形成多級結構時,當粉體含量較高時,復合材料的力學性能較低,限制瞭絲素粉體的充分應用。因此,在不進行化學改性的情況下,如何提高高含量微米級填料粒子復合材料的韌性仍存在挑戰。

近期,武漢紡織大學徐衛林教授課題組結合浸沒沉淀成型理論和溶劑蒸發成型理論,打破傳統化學改性法優化界面,通過物理成型方法調控聚合物鏈的組裝方式及填料粒子與聚合物基體間的界面作用力,制備出瞭增韌的聚氨酯/未改性絲素粉體復合膜(PU-SF)。

該工作以標題”Fabrication of High-toughness Polyurethane/FibroinComposite without Interfacial Treatment and its Toughening Mechanism”發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上,第一作者張春華博士,通訊作者劉欣教授和徐衛林教授。

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圖1 常規浸沒沉淀法、常規溶劑蒸發法和二元溶劑體系浸沒沉淀法制備的PU-50%SF復合膜的應力-應變曲線

在50 wt% SF含量下,采用二元溶劑體系浸沒沉淀法制備的PU-50%SF復合膜,較常規浸沒沉淀法制備復合膜的斷裂伸長率和韌性分別提高瞭145.1%1670.9%;較常規溶劑蒸發法制備復合膜的斷裂伸長率和韌性分別提高瞭11733.0%6000.0%

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圖2 常規浸沒沉淀法、常規溶劑蒸發法和二元溶劑體系浸沒沉淀法制備的PU膜及PU-50%SF復合膜的掃描電鏡圖和動態熱機械性能

常規浸沒沉淀法所制備的PU-50%SF復合膜為不規則多孔結構,常規溶劑蒸發法所制備的PU-50%SF復合膜為致密多裂紋結構,而該研究采用二元溶劑體系浸沒沉淀法所制備的PU-50%SF復合膜為獨特的緊密微孔結構。

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圖3 常規浸沒沉淀法、常規溶劑蒸發法和二元溶劑體系浸沒沉淀法制備的PU與絲素纖維間的界面剪切強度

通過微球脫粘實驗分析發現,采用二元溶劑體系浸沒沉淀法制備的復合膜中PU與SF具有良好的界面作用力。

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圖4 常規浸沒沉淀法、常規溶劑蒸發法和二元溶劑體系浸沒沉淀法制備的PU-50%SF復合膜的拉伸斷裂機理

常規浸沒沉淀法制備的PU-SF復合膜,由於SF與PU間存在較大孔隙,以及不規則大孔的弱結效應,使得復合膜的應力較低;常規溶劑蒸發法制備的PU-SF復合膜,在外力作用下,容易產生應力集中現象,內部裂紋的快速擴展導致材料失效。而該研究采用二元溶劑體系浸沒沉淀法制備的PU-SF復合膜,能夠結合浸沒沉淀致相轉變的優勢及溶劑蒸發過程中分子鏈的壓縮作用,實現獨特的緊密式“漁網”結構,且PU與SF之間具有良好的界面作用力,在外力作用下,應力能夠良好的在SF與PU間傳導,提高瞭復合材料的韌性。這項工作為廢棄物的循環再利用提供瞭一種簡單、切實可行的方法,為具有良好韌性的仿蠶絲纖維和仿生材料的制備等提供瞭新的策略。

文獻鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c03936

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