● 摘要
采用仿生学原理、设计制备新型仿生材料是近年来快速发展的研究领域。蜘蛛丝和竹子都是自然界中典型的结构和功能材料，具有高的比强度、优异的弹性以及出色的坚韧性。基于蜘蛛丝的形成过程以及竹子的外密内疏梯度增强结构，仿生制备具有独特微结构和优异性能的仿生纤维，是仿生材料领域里的一个重要研究方向。
在本课题中，采用高弹性、加工性能良好的疏水型热塑性聚氨酯（TPU）为基体材料，同时添加超细全硫化粉末丁腈橡胶(UFPNBR)、纳米二氧化硅(nano-SiO2)以及多壁碳纳米管（MWCNTs）等纳米材料，仿生设计制备了蜘蛛丝仿生UFPNBR/TPU纤维、蜘蛛丝仿生nano-SiO2/TPU纤维、以及基于竹子仿生的MWCNTs/TPU纤维、nano-SiO2-MWCNTs/TPU纤维和十二烷基硫酸钠(SDS)修饰的多壁碳纳米管(SDS-MWCNTs)/TPU纤维，并对仿生纤维的形成机理、微观结构以及性能进行了表征。
(1) 受蜘蛛丝形成过程的启发，仿生制备了表面具有不同微纳米结构的纤维，即制备了三种不同表面自组装结构的UFPNBR/TPU纤维。第一种是表面只有微米沟槽结构的纤维，第二种是表面既有微米沟槽又有纳米球结构的纤维，第三种是表面凹凸不平的螺旋纤维。纤维的形成过程主要包括四步，纤维的形成机理则为一种集成“扩散、凝聚、自组装和微相分离”的综合机理。可以通过改变UFPNBR与TPU的质量比和垂直拉伸环境来控制纤维的微纳米结构。希望所制备的仿生纤维具有超疏水性、自清洁性以及优异的力学、电学等性能。
(2) 受蜘蛛丝形成过程的启发，仿生制备了具有多尺度微结构的nano-SiO2/TPU纤维。纤维的形成机理也是一种集成“扩散、凝聚、自组装和微相分离”的综合机理。nano-SiO2与TPU的质量比对所制备的nano-SiO2/TPU 纤维的表面和内部微结构有着巨大的影响。纤维的形成过程可简单描述为三个主要阶段，而在第二阶段诸如乙醇溶剂和不同尺寸nano-SiO2的加入，对所制备纤维最终的表面和内部微结构具有至关重要的作用。例如，当在加入乙醇溶剂和粒径10 nm的nano-SiO2时，所制备的nano-SiO2/TPU纤维内部生成了许多被nano-SiO2聚集体间隔分散的TPU自组装微球，而当加入乙醇溶剂和粒径100 nm的nano-SiO2时，纤维内部只发现了许多nano-SiO2球分散其中，却没有生成TPU自组装微球。
(3) 基于蜘蛛丝的形成过程和竹子外密内疏式梯度增强结构，探索仿生制备了具有多尺度微结构的MWCNTs/TPU纤维、nano-SiO2-MWCNTs /TPU和SDS-MWCNTs/TPU纤维。在MWCNTs/TPU纤维制备的过程中引入nano-SiO2和SDS，希望利用nano-SiO2的间隔效应和SDS的表面修饰效应来促进MWCNTs在纤维中的均匀分散；而且，也希望nano-SiO2和SDS的加入赋予nano-SiO2-MWCNTs/TPU纤维以及SDS-MWCNTs/TPU纤维更独特的多尺度微结构。实验结果表明，在MWCNTs/TPU纤维和nano-SiO2/TPU纤维中，MWCNTs和nano-SiO2不易分散，而在nano-SiO2-MWCNTs/TPU纤维和SDS-MWCNTs/TPU纤维中，MWCNTs分散较均匀。