[发明专利]一种利用沟槽型水凝胶凝制备纳米复合纤维的方法

说明书

本发明涉及一种利用沟槽型水凝胶凝制备纳米复合纤维的方法，所述复合纤维为：通过3D打印方法制备的沟槽形水凝胶为凝固浴，结合湿法纺丝中的微流控法获得。本发明制备纳米复合纤维的方法新颖、简便，可以制备以海藻酸钠(SA)作为基体的多种具有高强度和良好编织性能的纳米复合纤维，可用于智能服装产业等。使用水凝胶作为凝固浴，不仅提高了传统湿法纺丝制备纤维的效率，还可以延长凝固浴的使用寿命。

技术领域

本发明属于纳米复合纤维及其制备领域，特别涉及一种利用沟槽型水凝胶凝制备纳米复合纤维的方法。

背景技术

随着社会经济的发展，研究人员投入大量的精力来开发具有高强度和韧性的生物复合材料，在传统纤维材料的基体中添加低维纳米材料会增强纤维的强度和韧性，然而，在温和条件下制备具有强度和韧性的纳米复合纤维仍然是一个巨大的挑战。碳纳米管、氧化石墨烯和石墨烯具有优异的力学性能，被广泛应用于纳米复合材料中。到目前为止，多功能纳米复合纤维已经发展了包括湿态和干态纺丝法、微流体和有限空间辅助组装等几种策略，可以实现良好拉伸强度或韧性。然而，这些方法都具有一定的局限性：如碳纳米管基的纤维或纱线，在制备过程通常需要高浓度的碳纳米管分散液或极端严格的后处理过程，如紫外线照射、高温退火和高温还原，这都导致了高成本、高能耗和环境污染的高风险。基于微流体纺丝的策略依赖于复杂的设备，因此很难进行扩展，且得到的纳米复合纤维韧性较差。因此，在温和条件下制备高韧性、高强度的纳米复合纤维具有重要意义。

海藻酸钠(C₆H₇O₆Na)_n为链锁状高分子化合物，呈刚性，具有良好的耐碱性、耐热性、溶解性，易于形成纤维和薄膜，且与大多数添加剂分子共容(带正电分子除外)，具有优异的生物相容性和环境友好性，易降解，可在干燥状态下稳定存在。但由于结构限制，其分子链间不能有效缠结，通过传统微流控湿法纺丝的方法制备海藻酸钠纳米复合纤维缺乏弹性、制备效率低、时间长，不足以满足生产生活的需求。

浙江理工大学的欧国松团队，报道了使用微流控技术制备的一种海藻酸钠/碳纳米管纤维，其研究表明当碳纳米管负载量达到11.1％时，海藻酸钠/碳纳米管复合纤维的拉伸强度达到最高值410MPa，当碳纳米管含量较低时，无法在复合纤维的内部形成均匀的交联状网络，不足以充当增强体的作用，而是类似于杂质的存在，会导致其拉伸强度低于纯海藻纤维；当碳纳米管负载量过高时，碳纳米管在纺丝原液中会团聚交联，形成较大的碳纳米管束，不能均匀分散在复合纤维中，复合纤维拉伸强度也会降低(欧国松,施嘉辉,姜敏,孔文龙,马瑞琦,陈建军.海藻酸钠/碳纳米管复合纤维的制备及力学性能研究[J].合成纤维,2018,47(12):14-18.)。

传统水凝胶(Hydrogel)是一类极为亲水的三维网络结构凝胶，它在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解，且对环境的变化如温度或pH等的变化不敏感。其中，合成高分子水凝胶以其良好的稳定性、较高的强度、多样化的复合手段和不易降解的优点而受到广泛关注。