摘要】

当前，世界面临着不可再生化石资源逐渐枯竭、不可降解塑料垃圾对陆地和海洋生态环境的严重危害等问题。由于对纤维材料需求的快速增长，开发高性能生物质基纤维已成为减少对石油基合成纤维依赖的重要研究课题。最近，武汉大学蔡杰教授团队开发了一种新型的绿色湿纺策略用于通过两步拉伸工艺从 KOH/尿素水溶液制造超强和超硬壳聚糖长丝。

所得长丝的高度有序的分层结构有助于其优异的机械性能。壳聚糖长丝的拉伸强度和杨氏模量分别为 878 ± 123 MPa 和 44.7 ± 12.3 GPa，这些值与蜘蛛丝和细菌纤维素的值相当。该研究制备的壳聚糖长丝在比强度和模量方面均优于低密度钢。本研究提出的绿色和可扩展策略将拓宽壳聚糖长丝在柔性生物电子学、生物材料和纺织品中的应用范围。相关论文以题为Super-Strong and Super-Stiff Chitosan Filaments with Highly Ordered Hierarchical Structure发表在《Advanced Functional Materials》上。

【主图导读】

图1 a）通过两步拉伸过程湿纺制备壳聚糖长丝和分层结构。b) 虾壳、c) 壳聚糖粉、d) 壳聚糖溶液、e) G-ChFs 和 f) D-ChFs 的照片。g) 打结的壳聚糖长丝的 SEM 图像。h) 承载 2 kg 重量而不断裂的壳聚糖长丝的照片。

图2 a) FT-IR 光谱，b) XRD 图案，c) 13C NMR 光谱，以及 d) 几丁质粉末、壳聚糖粉末和壳聚糖长丝的 TG 曲线。

图3 a-d) G-ChFs-I 表面的 SEM 图像和 e-h) D-ChFs-I 表面的 AFM 图像，λ1 值为 0.68 (a,e), 1.05 (b,f) )、1.20 (c,g) 和 1.35 (d,h)。箭头表示绘制方向。i) (h) 中 D-ChFs-I 表面的 SEM 图像。插图显示了相应的横截面。j-l) λ1 = 0.68 (j)、D-ChFs-I λ1 = 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 的直径统计数据。n) 具有不同 λ1 值的 D-ChFs-I 的 2D WAXD 图案的方位角积分强度分布曲线。o) λ1 值对方向参数 f 的影响。

图4 a-d) G-ChFs-II 表面的 SEM 图像和 e-h) D-ChFs-II 表面的 AFM 图像，其中 λ1 = 1.35 和 λ2 = 1.25 (a,e), 1.5 (b ,f)、1.75 (c,g) 和 2.0 (d,h)。箭头表示绘制方向。i) (h) 中 D-ChFs-II 表面的 SEM 图像。插图显示了相应的横截面。j-l) λ2 = 1.25 (j)、D-ChFs-II λ2 = 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 的直径统计数据。n) 具有不同 λ2 值的 D-ChFs-II 的 2D WAXD 图案的方位角积分强度分布曲线。o) λ2 值对方向参数 f 的影响。

图5 a-c) SAXS 图案，b-f) D-ChFs-I 的 SEM 图像，λ1 = 0.68 (a,d) 和 1.35 (b,e)，D-ChFs-II λ2 = 2.0 (c, F）。SAXS 图案中的箭头显示了纤维方向。SEM 图像显示了 D-ChFs-I 和 D-ChFs-II 在拉伸变形下的断裂横截面。g) (f) 中 D-ChFs-II 的偏振拉曼光谱，激光束偏振平行和垂直于光纤轴。从拉伸模式强度在 h,k) 2885 cm−1, i,l) 1656 cm−1 和 j,m) 1098 cm−1 获得的 D-ChFs-II 的拉曼图像，激光束偏振平行（ h-j) 并垂直于 (k-m) 纤维轴。

图6 a-d) G-ChFs-I 和 e-h) D-ChFs-I 在不同浓度和温度的 KCl 和乙醇水溶液中的机械性能。λ1 和 λ2 值分别为 0.68 和 1.0。具有不同 i) 拉伸比和 j) RH 水平的 D-ChFs-II 的机械性能。k) 本研究中制备的壳聚糖长丝和其他天然、合成和金属纤维的比强度与比杨氏模量曲线。

【总结】

团队开发了一种绿色湿纺策略，用于从 KOH/尿素水溶液制造超强和超硬壳聚糖长丝。壳聚糖长丝的高度有序的层次结构有助于其优异的机械性能。壳聚糖长丝的拉伸强度和杨氏模量分别为 878 ± 123 MPa 和 44.7 ± 12.3 GPa。这些值与蜘蛛丝和细菌纤维素的值相当。壳聚糖长丝在比强度和模量方面优于低密度钢。应该强调的是，本研究中提出的合成策略不仅产生了具有优异机械性能的壳聚糖长丝，而且还是传统纤维制备方法的一种有前途的环保替代品。这项研究为壳聚糖纤维的制造提供了一种可扩展的技术，将有助于实现其在柔性生物电子学、生物材料和纺织品等各个领域的实际应用，以从可再生和可持续的海洋生物质中替代传统的化石纤维材料。