以纖維素為代表的新型生物質材料具備來源廣、可再生、易降解、低成本、優異的機械和熱穩定等性能，近年來逐漸被應用於對機械耐用、可持續和生物相容性材料有較大需求的領域，受到大家的高度關注和研究。其中，由細菌代謝產生的高純度納米纖維素纖維因其高的聚合度和結晶度，被廣泛用於高性能纖維的製備。為了提高纖維的強度，研究中常利用如輔助組裝、溼紡與機械拉伸相結合、化學交聯、協同混合等方法來加強納米纖維取向或增強纖絲間的相互作用，然而，拉伸強度的提高往往伴隨著斷裂伸長率和韌性的降低。如何在提高纖維強度的同時保持甚至提高其韌性，仍是目前行業內的一大難題。
針對這一難題，近日，中國科技大學俞書宏院士團隊受到自然界高強度高韌性纖維多級螺旋結構的啟發，先通過溼法紡絲製備了納米纖維素纖維-海藻酸鈉(BCNF-Alg)複合凝膠單絲，然後結合加捻和螺旋化技術製備得到了具有不同多級螺旋結構的BCNF-Alg納米複合纖維，其強度和韌性相比於未處理的複合纖維同時得到了大幅度提高。研究表明，多根凝膠狀態的單絲加捻螺旋化成束後再幹燥脫水，體積大幅度收縮的同時單絲之間的黏附作用力增強以及缺陷減少，大大提高了拉伸強度；而單絲螺旋化導致分散在Alg基體內部高度取向排列的BCNF也發生旋轉扭曲，在進行單軸拉伸時，扭曲的BCNF在斷裂之前會有一個逐漸拉伸變直的過程，因此斷裂伸長率得到提升；同時在拉伸過程中， BCNF會與Alg基體因為界面摩擦滑動而產生多尺度形變，可以耗散大量的能量，有利於提高纖維韌性。單軸拉伸結果表明：與加捻方面相反的螺旋化可以使複合纖維(4根單絲)的最大拉伸強度從394.2 MPa提高至535.4 MPa，斷裂伸長率從7.9 %提升至12.2 %，斷裂韌性從16M J m−3提升至38.3 M J m−3。該研究成果以題為“Bioinspired hierarchical helical nanocomposite macrofibers based on bacterial cellulose nanofibers”的論文發表在《國家科學評論》上(見文後原文鏈接)。
【圖文詳解】1. BCNF-Alg多級螺旋結構複合纖維的的製備及表徵
作者將直徑約為60納米，長度為數十微米的BCNF分散在Alg溶液中，纖維素上的羥基與Alg上的羧基形成強的氫鍵作用使整個體系均勻而穩定，同時也保證了後續製備的複合纖維內部有較強的界面作用力。該複合分散液經由單針頭噴絲口擠出，在含Ca2+的凝固浴中得到BCNF-Alg凝膠複合單絲(一級複合纖維)，在擠出過程中，BCNF會高度取向排列，從而保證了複合纖維的高力學強度。兩根BCNF-Alg凝膠複合單絲先通過加捻形成二級複合纖維，兩根或三根二級複合纖維再以與加捻相反(標記為-)或相同(標記為+)的方向進行下一步旋轉扭曲，得到具有不同螺旋結構的三級複合纖維，然後再進行乾燥脫水，得到最終的BCNF-Alg多級螺旋結構納米複合纖維。凝膠態複合纖維在扭曲作用下形態下脫水後體積會大大收縮，並且單絲之間界面互相滲透，界面作用力增強，缺陷大幅度減小，而SEM結果顯示收縮過程中橫向收縮程度更大，這有利於纖維沿軸向方向的取向(WXRD結果也驗證了這一點)。同時，通過SEM結果作者還發現對單絲的扭曲旋轉也會導致BCNF在Alg基體內部的取向出現輕微的螺旋化。
圖1.多級螺旋結構BCNF-Alg複合纖維製備過程及表徵
2. BCNF-Alg多級螺旋結構複合纖維的力學性能
作者對製備的多種不同結構的複合纖維進行了力學性能對比和分析，探究了多級螺旋複合纖維的增強增韌機理。首先，BCNF在複合纖維中的比例對纖維有較大的影響：當BCNF的含量為40%時，未經過處理的複合單絲拉伸強度最大，這說明一定含量的強度較低的Alg在複合纖維中具有重要的作用。而製備二級複合纖維過程中的加捻工藝也會對複合纖維強度產生明顯的影響，結果顯示最佳捻度水平為每米100捻，過大的捻度會導致BCNF的扭度偏大，與宏觀三級複合纖維取向方向有較大的偏差，不利於拉伸時強度的提高。隨後作者對不同的螺旋-n(±)纖維進行了單軸拉伸測試[以螺旋-4(+)纖維為例，該纖維是指最終的三級複合纖維包含4根原始單絲，經由兩根二級複合纖維在與加捻方向相同的方向上進行扭曲旋轉製備得到]，結果顯示螺旋-n(-)型纖維比螺旋-n(+)型纖維有更高的拉伸強度，而顯示稍微低一些的斷裂伸長率和韌性，但是相比於未螺旋處理的並排-n型纖維(未經過螺旋化處理的n根單絲並排組合的複合纖維)，螺旋-n(-)和螺旋-n(+)型纖維的強度、斷裂伸長率和韌性均得到了大幅度的提升：螺旋-4(-)型纖維拉伸強度由對比樣的394.2 MPa提高至535.4 MPa；螺旋-8(+)型纖維斷裂伸長率由對比樣的7.9 %提升至16.2 %，斷裂韌性從14.8M J m−3提升至44.8 M J m−3。
圖2. BCNF-Alg多級螺旋結構複合纖維的力學性能測試結果
3. BCNF-Alg多級螺旋結構複合纖維機理探究
BCNF-Alg複合纖維優異的力學性能來自於特殊的多級螺旋結構，根據對並排-2，螺旋-2和螺旋-4(+)這三種複合纖維進行拉伸過程的有限元分析(如圖3)，發現螺旋-2和螺旋-4(+)纖維的模型都會在拉伸過程中會旋轉產生一個旋轉角θ(拉昇前與斷裂後的角度差)，而並排-2纖維則無旋轉角。這說明螺旋化後的纖維在拉伸過程中會以解旋的方式來提升斷裂伸長率，同時，螺旋化過程中單絲之間更加強的相互作用、更少的缺陷以及單絲內部BCNF與Alg基體的界面摩擦滑動會耗散大量的能量，從而提高了拉伸強度和斷裂韌性。
圖3.對並排-2，螺旋-2和螺旋-4(+)複合纖維進行的有限元分析
【總結】
通過向大自然學習，作者製備了具有多級螺旋結構的BCNF-Alg納米複合纖維，其強度和韌性相比於未處理的纖維同時得到了大幅度提高，有望在未來作為結構或功能材料得到應用，並且該研究工作為高性能納米複合纖維材料的開發提供了一種新策略。
參考文獻：
Gao, Huai-Ling, et al. "Bioinspired hierarchical helical nanocomposite macrofibers based on bacterial cellulose nanofibers." National Science Review 7.1 (2020): 73-83.
原文鏈接：
https://academic.oup.com/nsr/article/7/1/73/5521924?searchresult=1
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