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技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A spider-like silk polymer fiber based on column chromatography silica gel and its preparation method

The invention relates to a spider-like silk polymer fiber based on column chromatography silica gel and a preparation method thereof in the field of chemical biomimetic technology. The spider-like silk-like polymer fiber comprises the following components by weight: 100 copies of fiber matrix polymer and 1-44 copies of column chromatography silica gel. The monofilament of the polymer fiber has the microstructures of spider-like filaments with the spacing distribution of spindle node structural units. The radial height of the spindle node structural units is 10-300 microns, the axial length of the spindle node structural units is 10-1000 microns, and the spacing of the spindle node structural units is 10-5000 microns. The method of the invention does not need to change the existing spinning process greatly, and the equipment does not need to change, the process is simple and the cost is low. The spider-like polymer fiber obtained by the invention can realize the directional movement of water droplets on the surface of the fiber, has the function of collecting water, and has good mechanical properties.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及化学仿生
，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。
技术介绍
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，该专利技术采用静电纺丝技术，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，该专利技术采用溶液纺丝技术，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。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提出一种基于柱层析硅胶的具有间隔分布的纺锤节结构的类蜘蛛丝的聚合物纤维。具体地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。本申请的方法通过在纺丝过程中加入柱层析硅胶，在纤维制备过程中即可获得纺锤节结构，柱层析硅胶内部存在着多孔结构，纺丝过程中能够在柱层析硅胶内部孔洞中形成微纤网络，在一定程度上解决添加剂与纤维基体之间相互作用力较弱的问题，降低添加剂对纤维机械性能的影响，该方法无需对现有纺丝工艺进行大幅改动、且设备无需更改，从工艺上讲，更为简单，成本也更低。本申请目的之一的本专利技术提出一种基于柱层析硅胶的类蜘蛛丝聚合物纤维。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，可以实现水滴在该纤维表面的定向移动，具有集水功能。此处所述的间隔分布，是指在单丝上分布的相邻两个纺锤节结构单元之间为单丝连接。所述的一种基于柱层析硅胶的类蜘蛛丝聚合物纤维，包含以重量份计的以下组分：a.纤维基体聚合物100重量份；b.柱层析硅胶1～44重量份，优选为3～40份，更优选为5～30重量份，更更优选为5～25重量份。所述组分a纤维基体聚合物作为纤维基体，所述组分b柱层析硅胶作为添加剂，形成纺锤节结构。所述纺锤节结构单元径向高度为10～300微米，优选为20～200微米，更优选为30～150微米；所述纺锤节结构单元的轴向长度为10～1000微米，优选为20～700微米，更优选为100～300微米；所述纺锤节结构单元的间距为10～5000微米，优选为50～3000微米，更优选为100～1000微米。所述柱层析硅胶的平均粒子尺寸为60～400目，优选为60～300目，更优选为80～300目。所述柱层析硅胶的孔隙率为10～80％，优选为20～60％，更优选为20～50％。所述柱层析硅胶的孔径为0.1～200纳米，优选0.5～150纳米，更优选为1～50纳米。所述柱层析硅胶，选自市售的各种符合以上参数的柱层析硅胶，也可以通过现有技术的方法自制而得。所述纤维主体直径为5～250微米，优选为10～150微米，更优选为20～50微米。所述纤维基体聚合物选自现有技术中已有的各种可以形成纤维的聚合物，比如聚丙烯腈、聚氨基甲酸酯、聚乙烯醇、黏胶纤维、尼龙、纤维素磺酸酯、纤维素醋酸酯、聚氯乙烯、聚间苯二甲酰胺、聚间苯二甲酰间苯二胺、聚对苯二甲酰对苯二胺中的至少一种；优选为聚丙烯腈、聚氨基甲酸酯、聚乙烯醇、黏胶纤维、聚间苯二甲酰间苯二胺、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚氯乙烯中的至少一种，更优选为聚丙烯腈、聚氨基甲酸酯、聚乙烯醇中的至少一种，更更优选为聚乙烯醇。当所述纤维基体聚合物选择聚乙烯醇作为纤维主体时，所述聚乙烯醇的聚合度为400～4000，优选为500～3000，更优选为1000～2500；醇解度为55％～99％，优选为88％～99％。本申请目的之二是提供一种基于柱层析硅胶的类蜘蛛丝聚合物纤维的制备方法。该方法通过传统的湿法纺丝工艺，将聚合物和柱层析硅胶共同纺丝，由于柱层析硅胶存在多孔结构，因此在分散于聚合物溶液的过程中，大量聚合物溶液扩散进入柱层析硅胶内部；在纺丝原液微流经过凝固浴形成纤维、后续拉伸过程中，由于溶剂不断析出且径向拉伸，纤维主体体积发生大幅度收缩，而柱层析硅胶体积不受影响，因此在硅胶存在处，纤维会发生微观突起，形成纺锤结构；进入柱层析硅胶内部的聚合物溶液经过凝固，形成微纤网络，将硅胶捆绑于纤维内部，有效解决了柱层析硅胶与纤维基体之间相互作用力较弱的问题，降低了添加剂对纤维机械性能的影响。本方法工艺简单，无需对现有工艺进行大量改进，易于工业化生产。所述的一种基于柱层析硅胶的类蜘蛛丝聚合物纤维的制备方法，包括以下步骤：(1)按所述用量将所述纤维基体聚合物和柱层析硅胶添加剂分散于溶剂中，加热、搅拌至纤维基体聚合物溶解于溶剂，柱层析硅胶在溶液中均匀分散，得到均匀的纺丝原液；其中，所述加热温度为30～95摄氏度，优选50～95摄氏度，更优选为70～95摄氏度；(2)对应所采用的聚合物以及溶剂，配制相应凝固浴；(3)将纺丝原液通过湿法纺丝机或蠕动泵等挤入凝固浴中，经过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于柱层析硅胶的类蜘蛛丝聚合物纤维，其特征在于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，优选为20～200微米，更优选为30～150微米；所述纺锤节结构单元的轴向长度为10～1000微米，优选为20～700微米，更优选为100～300微米；所述纺锤节结构单元的间距为10～5000微米，优选为50～3000微米，更优选为100～1000微米；所述聚合物纤维包含以重量份数计的以下组分：a.纤维基体聚合物 100份；b.柱层析硅胶 1～44重量份，优选为3～40份，更优选为5～30重量份，最优选为5～25重量份；所述柱层析硅胶的平均粒子尺寸为60～400目，优选为60～300目，更优选为80～300目；所述柱层析硅胶的孔隙率为10～80％；所述柱层析硅胶的孔径为0.1～200纳米。

【技术特征摘要】
1.一种基于柱层析硅胶的类蜘蛛丝聚合物纤维，其特征在于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，优选为20～200微米，更优选为30～150微米；所述纺锤节结构单元的轴向长度为10～1000微米，优选为20～700微米，更优选为100～300微米；所述纺锤节结构单元的间距为10～5000微米，优选为50～3000微米，更优选为100～1000微米；所述聚合物纤维包含以重量份数计的以下组分：a.纤维基体聚合物100份；b.柱层析硅胶1～44重量份，优选为3～40份，更优选为5～30重量份，最优选为5～25重量份；所述柱层析硅胶的平均粒子尺寸为60～400目，优选为60～300目，更优选为80～300目；所述柱层析硅胶的孔隙率为10～80％；所述柱层析硅胶的孔径为0.1～200纳米。2.根据权利要求1所述的一种基于柱层析硅胶的类蜘蛛丝聚合物纤维，其特征在于：所述柱层析硅胶的孔隙率为20～60％，优选为20～50％。3.根据权利要求1所述的一种基于柱层析硅胶的类蜘蛛丝聚合物纤维，其特征在于：所述柱层析硅胶的孔径为0.5～150纳米，更优选为1～50纳米。4.根据权利要求1所述的一种基于柱层析硅胶的类蜘蛛丝聚合物纤维，其特征在于：所述聚合物纤维主体直径为5～250微米，优选为10～150微米，更优选为20～50微米。5.根据权利要求1所述的一种基于柱层析硅胶的类蜘蛛丝聚合物纤维，其特征在于：所述纤维基体聚合物选自聚丙烯腈、聚氨基甲酸酯、聚乙烯醇、黏胶纤维、尼龙、纤维素磺酸酯、纤维素醋酸酯、聚氯乙烯、聚间苯二甲酰胺、聚间苯二甲酰间苯二胺、聚对苯二甲酰对苯二胺中的至少一种；优选为聚丙烯腈、聚氨基甲酸酯、聚乙烯醇、黏胶纤维、聚间苯二甲酰间苯二胺、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚氯乙烯中的至少一种，更优选为聚丙烯腈、聚氨基甲酸酯、聚乙烯醇中的至少一种。6.根据权利要求1所述的一种基于柱层析硅胶的类蜘蛛丝聚合物纤维，其特征在于：所述纤维基体聚合物选自聚乙烯醇；所述聚乙烯醇的聚合度为400～4000，优选为500～3000，更优选为1000～2500；醇解度为55％～99％，优选为88％～99％。7.根据权利要求1～6之任一项所述的一种基于柱层析硅胶的类蜘蛛丝聚合物纤维，由包括以下步骤的方法制备而成：(1)按所述用量将所述纤维基体聚合物和柱层析硅胶添加剂分散于溶剂中，加热、搅拌至纤维基体聚合物溶解于溶剂，柱层析硅胶在溶液中均匀分散，得到均匀的纺丝原液；(2)配制相应凝固浴；(3)将纺丝原液挤入凝固浴中，经过凝固、干燥，收集得到初生纤维；(4)通过拉伸初生纤维，得到具有间隔分布的纺锤节结构的类蜘蛛丝的聚合物纤维。8.一种根据权利要求1～7任一项所述的基于柱层析硅胶的类蜘蛛丝聚合物纤维的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)按所述用量将所述纤维基体聚合物和柱层析硅胶分散于溶剂中，加热、搅拌至纤维基体聚合物溶解于溶剂，柱层析硅胶均匀分散在溶液中，得到纺丝原液；(2)配制相应凝固浴；(3)将纺丝原液挤入凝固浴中，经过凝固、干燥，收集，得到初生纤维；(4)通过拉伸初生纤维，得到具有间隔分布的纺锤节结构的类蜘蛛丝的聚合物纤维。9.根据权利要求8所述的一种基于柱层析硅胶的类蜘蛛丝聚合物纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，以溶剂重量为100...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔金樑，姜超，戚桂村，张晓红，宋志海，赖金梅，蔡传伦，李秉海，王湘，蒋海斌，张江茹，茹越，高建明，张红彬，韩朋，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司北京化工研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11