● 摘要
自然界中各式各样的功能性生物材料是仿生材料科学和纳米技术科学的发展源泉和创新动力。在生物界中，具有特殊性质和功能的生物纤维是仿生学及纳米科学的研究重点：生物微纳米纤维（如蜘蛛丝，蚕丝等）优异的力学特性是高性能纤维开发研究方向的指明灯；生物纤维的粘附特性（如昆虫足部刚毛、壁虎脚绒毛等）是新一代人工干态粘附材料的素材库；生物纤维在高湿度环境中的定向集水效应（如蜘蛛丝、仙人掌刺针等）引领着相关研究方向的最前沿……
本研究受自然界中蜘蛛力学牵引丝性能与结构的启发，通过多方位研究其结构与性能的内在联系，利用静电纺丝法制备纳米级聚合物纤维，模拟天然蛛丝多尺度微观结构，实现了人工聚合物先进纳米纤维材料的仿生制备与开发，同时赋予纳米纤维材料以更优越的性能。通过模仿蛛丝力学丝内部纳米原丝的介观物理复合结构，本研究实现了多级次复合螺旋结构PAN纳米纤绳的仿生构筑，对其进行的力学性能测试证实了这种仿生结构的科学性和先进性；受蛛丝蛋白内部分子尺度折叠重复结构单元，本研究建立了具有“二元协同”结构的一维物理模型并根据该模型成功制备了新型仿生纤维，相关力学测试结构验证了该种二元协同结构的优异性，进一步阐释了蛛丝蛋白质结构的合理性和先进性；受天然蜘蛛力学丝表面对空气中微尘颗粒的粘附现象，本论文探究了超细纤维表面普遍存在的干态粘附行为，并利用这种粘附性质进一步拓展了微纳米超细纤维的应用范围。
本论文主要研究内容与结果主要包括：
1）受蜘蛛力学牵引丝内部介观多尺度复合物理结构启发，通过静电纺丝法制备人工聚丙烯腈纳米纤维，利用自下而上的构筑方法，成功制备得到了具有仿生多重螺旋取向结构的聚丙烯腈纳米纤维绳索。通过测试仿生纳米纤维绳力学性能并同时与其他不同结构的聚丙烯腈材料相比，具有该种微纳米复合双重尺度构成的取向纳米纤维绳具有更高的拉伸强度与断裂伸长率，最终使得仿生聚丙烯腈纤维具有可与天然蜘蛛力学牵引丝相媲美的韧性。测试结果揭示和证明天然蛛丝内部原纤介观多尺度复合结构的科学性和先进性；
2）受蜘蛛力学牵引丝中纳米原丝蛋白质所具有的周期性重复结构启示，本研究据此建立了具有“二元协同”结构的一维物理模型，并根据此模型成功利用静电纺丝法制备得到具有对应结构的新型仿生聚酰亚胺纤维。经过相关力学性能测试并与其他不同结构的同种纤维材料对比，具有类似蛛丝蛋白中折叠结构的仿生纤维可在提高纤维力学强度的同时，保持可观的纤维断裂伸长率，并最终实现纤维材料韧性的提升。仿生纤维的测试结果从宏观角度佐证了蜘蛛丝力学牵引丝蛋白质周期性重复结构对纤维性能的提升作用，验证了本论文中所建立的一维“二元协同”模型的正确性和可行性，打破了对传统均质纤维的认识；同时，根据该模型，可对下一代“刚柔并济”先进纤维材料的开发起到启示作用。
3）受陈旧蜘蛛丝表面能够粘附空气中微小细颗粒物现象启发，本研究利用静电纺丝方法，制备得到聚合物基微纳米纤维，通过模拟天然蛛丝粘附条件，观测得人工纳米纤维对气溶胶游离颗粒物的类似粘附行为。经过对多种具有不同理化组成和物理聚集态的细颗粒物与超细纤维粘附作用情况的研究，本论文中发现了由纤维直径尺寸降低所引起的细纤维表面普适性粘附现象。对该种细纤维粘附现象粘附力本质的初步研究表明，其粘附驱动力为范德华力。对细纤维粘附现象的进一步开发利用表明：纳米纤维构成的织物具有优异的滤过和粘附性能，对重度污染条件下空气中PM 2.5颗粒的过滤效率可达95%以上。该种超细纤维粘附效应在固液界面浸润性、高性能过滤材料、大气颗粒物治理、高效集水等方面具有巨大的应用价值，进一步拓展了纳米纤维的应用领域。