当前位置：首页 ->技术前沿


浙江大学柏浩教授：“蚕丝贝壳”！高韧性、可塑性、完全可降解！

      发布时间:     2022/5/17     点击数： 129581


包含金属、陶瓷和聚合物的高性能复合材料在建筑施工、汽车制造、飞机技术和生物医学工程等许多领域都有很大的需求。尽管研究者们在提升此类复合材料性能方面取得了一系列进展，但由于难以对各成分以进行回收或完全降解，人们对其可持续性的担忧迅速增加。因此，用生物基聚合物构建高性能和可降解的复合材料变得越来越重要，其中天然多糖(纤维素、几丁质和淀粉)或蛋白质(丝绸、胶原蛋白和角蛋白)都是极具应用前景的材料。 受蚕丝和竹子等生物基“单组分”复合材料的自然例子启发，浙江大学柏浩教授团队报告了一种单组分蚕丝蛋白仿珍珠母材料，其中珍珠层的典型“砖-泥”结构仅用蚕丝蛋白构成，并通过结合双向冷冻、水蒸气退火和致密化的简便程序进行制备。与直接浇筑而成的蚕丝蛋白块状材料比，其弯曲强度、模量和应变分别提高了67%、37%和19%。同时，蚕丝蛋白仿珍珠母材料还具备可控的可塑性。此外，丝绸珍珠层在37℃条件下可被链霉蛋白酶E完全降解，表明其良好的环境友好性。相关工作以“A sustainable single-component “Silk nacre”发表在《Science Advances》。 蚕丝蛋白仿珍珠母材料的制备 蚕丝蛋白仿珍珠母材料是通过双向冷冻、水蒸气退火和致密化构建的。首先，从蚕茧中提取丝素蛋白溶液，然后通过双向冷冻技术获得了具有长程排列层状结构的蚕丝蛋白气凝胶。然后将冻干的气凝胶置于75%相对湿度和室温下进行水蒸气退火。在这个过程中，水分子穿透了气凝胶并塑化了薄片表面，从而提高了丝素蛋白链网络的流动性。最后，将经过水蒸气退火的蚕丝气凝胶垂直压缩以致密化，并通过丝层本身之间的粘附来制造蚕丝蛋白仿珍珠母材料。简而言之，研究者通过简单的制造程序成功地构建了具有珍珠层状复合结构的单组分材料。 图1 蚕丝蛋白仿珍珠母材料的制备工艺和形态示意图。 蚕丝蛋白仿珍珠母材料的机械性能 仿生材料的层次结构在其无与伦比的机械性能方面发挥着主导作用。尽管密度都约为1.3 g/cm -3且具有相同的成分，但蚕丝蛋白仿珍珠母材料和浇灌而成的蚕丝蛋白块状材料表现出显着不同的机械性能。三点弯曲试验的应力-应变曲线表明，蚕丝蛋白仿珍珠母材料可以承受更高的强度和更大的应变。值得注意的是，这种珍珠层状结构同时达到了强化和增韧的效果。结果表明蚕丝蛋白仿珍珠母材料的弯曲强度、模量和应变分别增加到125 MPa、6.8 GPa和3%，分别是块状材料的1.67、1.37和1.19倍。此外，其强度和模量超过了许多常用的聚合物，这表明它在机械性能方面作为合成聚合物的替代品具有相当大的潜力。 图2 机械性能比较。 一般来说，蚕丝蛋白材料的力学性能与其蛋白分子的构象有关，以往的研究已经证实，增加结晶度可以提高丝基材料的断裂强度。然而，根据傅里叶变换红外 (FTIR)光谱分析，蚕丝蛋白仿珍珠母材料中β-折叠的含量远低于浇筑而成的蚕丝蛋白块状材料(17%对36%)，表明仿生结构导致了超出组件固有特性的，更好的机械结果。观察蚕丝蛋白块状材料和蚕丝蛋白仿珍珠母材料的断裂面，表明它们完全不同的断裂机制。作为均质材料，块状材料表现出脆性破坏，并观察到许多裂纹，导致其快速断裂过程。而对于仿珍珠母材料，一方面，“砖”和“泥”之间的致密界面增加了其断裂强度；另一方面，细长的蚕丝层状结构有效地延缓了断裂过程。 图3 蚕丝蛋白块状材料和蚕丝蛋白仿珍珠母材料蛋白质构象和断裂形态的比较。 研究者还通过落球冲击测试研究了蚕丝蛋白仿珍珠母材料中和蚕丝蛋白块状材料的抗冲击性。结果显示，块状材料在落球撞击后碎裂，而仿珍珠母材料保持完好，说明其抗冲击性较好。通过进一步分析发现，对于蚕丝蛋白块状材料，冲击时产生的最大瞬时力约为2.8 N，而后突然下降。相比之下，仿珍珠母材料的峰值约为2 N，并且逐步减小，这表明层状结构赋予了其显着的缓冲效果和抗冲击性。 图4 蚕丝蛋白块状材料和蚕丝蛋白仿珍珠母材料的抗冲击性比较。 蚕丝蛋白仿珍珠母材料的可塑性和生物降解性 尽管强度和刚度很高，但蚕丝蛋白仿珍珠母材料能够通过非常简单的方法制成各种形状。蒸汽可以破坏丝绸珍珠层内部的氢键并使其柔软，然后变得足够柔韧，可以加工成波浪形、弯曲形和螺旋形；在空气中冷却几分钟后，材料形状被固定。加工后的仿珍珠母材料可以承受自身重量的约1000倍的砝码。此外，由于丝素蛋白的内在性质，仿珍珠母材料显示出完全的生物降解性，其可以在37℃下，30天内完全生物降解。 图5 蚕丝蛋白仿珍珠母材料的可塑性和生物降解性。 总结：研究者提出一种仿生策略来构建具有单一聚合物成分的高性能和可持续利用的复合材料。尽管其成分简单(纯蚕丝蛋白)，蚕丝蛋白仿珍珠母材料通过模仿珍珠层的“泥-结”结构实现了出色的机械性能。连同其可控的可塑性和完全的生物降解性，该材料可以部分替代越来越难以回收和不完全降解的传统复合材料。（作者：高分子科学前沿）
         
 
 

版权所有:盐城市蚕桑技术指导站   联系电话：0515-88230095   　苏ICP备2021043236号-1   后台管理
联系地址：盐城市文港北路5号        技术支持：思源网络