[发明专利]一种基于柱层析硅胶的类蜘蛛丝聚合物纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及化学仿生技术领域的一种基于柱层析硅胶的类蜘蛛丝聚合物纤维及其制备方法。所述的类蜘蛛丝的聚合物纤维包含以重量份数计的以下组分：纤维基体聚合物100份；柱层析硅胶1～44份。所述聚合物纤维其单丝具有纺锤节结构单元间隔分布的类蜘蛛丝的微观结构，所述纺锤节结构单元径向高度为10～300微米，所述纺锤节结构单元的轴向长度为10～1000微米，所述纺锤节结构单元的间距为10～5000微米。本发明的方法无需对现有纺丝工艺进行大幅改动、且设备无需更改，工艺简单，成本低。本发明获得的类蜘蛛丝的聚合物纤维可以实现水滴在该纤维表面的定向移动，具有集水功能，并且机械性能较好。

技术领域

本发明涉及化学仿生技术领域，更进一步说，涉及一种基于柱层析硅胶的类蜘蛛丝聚合物纤维及其制备方法。

背景技术

水资源是人类社会发展的重要自然资源。地球上的水，尽管数量巨大，但能直接被人们生产和生活利用的却少得可怜，约仅占地球总水量的0.26％。水资源的可持续利用是所有自然资源可持续开发利用中最重要的一个问题。当今社会，淡水资源紧缺的局面正在逐渐显现。全球80多个国家的约15亿人口面临淡水不足，其中26个国家的3亿人口完全生活在缺水状态。预计到2025年，全世界将有30亿人口缺水，涉及的国家和地区达40多个。淡水资源短缺己经制约社会的发展，解决淡水资源问题迫在眉睫。解决方法可能就存在于空气中--这里集结着12.9万亿吨气态水--空气可能成为未来人类生活用水的重要“水源”。

蜘蛛是自然界中利用空气水源的先驱者之一。当蜘蛛网置于湿润环境中，水汽在其中的捕获丝表面凝结、形成小水滴；而该纤维中存在的周期性的纺锤节结构造成捕获丝的曲率半径发生周期性的变化，产生拉普拉斯压差，导致水滴沿纤维径向方向受力不均，推动水滴发生定向(指向纺锤节)移动。水滴的这种定向移动有利于小液滴快速汇集形成大水珠，减弱蒸腾作用，利于空气中水分的快速收集。蜘蛛通过上述过程在空气中收集水分保障生存的方式，为我们解决淡水危机提供了新的思路：开发具有纺锤节结构的仿蜘蛛丝纤维，实现空气中水分的快速收集，在沙漠、海岛等地区具有广阔的应用前景，亦有望用于机场等特殊场所水汽的驱散。

现有技术中制备类似结构的仿蜘蛛丝纤维的方法主要有三种。

一是浸渍法：公开号为CN102776785A(申请号为201110223679.7)的中国专利公开的一种仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝即采用该种方法，将已有纤维浸入高分子溶液后，取出干燥过程中，高分子溶液由于瑞利不稳定性在纤维表面形成一串液滴悬挂于纤维表面，经干燥固化得到轴向排列的纺锤节，得到类似蜘蛛丝结构的纤维。公开号为CN102587139A(申请号为201210004686.2)的中国专利以上述为专利基础，进一步实现了制备所得的纤维表面的突起节的高度从小到大均匀可控，其表面具有更微观的突起或微孔，提高纤维的集水效率。该方法属于对现有纤维的后加工。

二是利用静电纺丝方法，对设备要求较高：公开号为CN103334244A(申请号为201710227113.0)的中国专利公开了一种电纺珠串纤维的自组装制备方法，该发明采用静电纺丝技术，在人造纤维的表面自组装形成微米级珠串结构，获得仿蜘蛛丝纤维。但静电纺丝的设备较为昂贵，而且能够使用静电纺丝的聚合物种类较少。

三是利用湿法纺丝方法：申请号为201710166815.0的中国专利提供的一种具有集水特性的仿生蜘蛛丝的聚合物纤维及其制备方法，该发明采用溶液纺丝技术，在纺丝原液中引入微米级喷雾干燥粉末橡胶，纤维凝固过程中即形成周期性的纺锤节，一步法获得仿蜘蛛丝纤维。但由于添加剂与纤维基体的相互作用较弱，一定程度上影响了纤维的机械性能。

发明内容