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浙理工杨斌Mater. Horiz.封底:强度高达1.45 GPa的桑蚕丝实现快速、连续化、多模式人工抽丝及其在致动器领域的应用
2023-08-03  来源:高分子科技

  随着蚕丝材料在生物工程、柔性传感器、光学存储、柔性电子器件和软质致动器等方面的应用被逐渐开发,人们逐渐意识到蚕丝不仅仅是一个中华文明的符号,也不仅仅是一个奢侈品服装面料的代名词,其在高新技术领域也有一席之地。然而,天然蚕丝在形态、结构和性能上的差异性,极大地限制了这些高新技术的产业化进程。因此,科学家一直在探寻形貌更规整,性能更优良的蚕丝材料。目前,人工强制抽丝技术已被证明是获得高性能蚕丝的理想方法。然而,被迫改变吐丝行为后的桑蚕在强制抽丝时表现出剧烈的抵抗行为,抽丝速度难以提高、效率低,容易造成断丝且蚕丝与蚕丝之间性能差异较大。因此,如何缓解或消除抽丝过程中桑蚕的抵抗行为并获得性能优良的蚕丝仍是一个巨大的挑战。


  近期,浙江理工大学杨斌教授课题组基于一种多模式、快速离心抽丝策略,制备出了高强、高模、高韧蚕丝(CRS)。受蜘蛛及蓑蛾等悬空吐丝行为的启发,该团队利用具有不同角度的圆锥斜面使吐丝桑蚕获得近似悬空状态并进行抽丝;同时利用桑蚕在结茧过程中的间歇吐丝现象,进行间断抽丝,即连续抽取一定时间后,停止抽丝操作,使桑蚕得到充足的时间以适应人工抽丝过程;最后通过转动圆锥载体和增加吐丝桑蚕的数量以同步制备高强蚕丝纱线(CRSY)。该策略获得的CRS的断裂强度高达1.45 GPa,是天然蚕丝的三倍,完全媲美蜘蛛丝;其韧度为121.07±35.31 MJ m-3,杨氏模量为27.72±12.61 GPa这是迄今为止报道的力学性能最好的桑蚕丝材料之一。同时,CRS还具有快速扭转恢复性能,且多次循环后仍能保持良好的恢复效果,是优秀的微致动器材料。此外,基于CRSY的气动软质致动器可执行预设动作,包括:收缩、伸长和弯曲,且能够承担极高的载荷,充分展示了CRSY人工肌肉、软质致动器及软体机器人领域的应用潜力。有趣的是,已有报道指出天然蛋白质纤维在低温环境(液氮)中仍能保持良好的力学特性,结合该工作中CRS的高强高模高韧特征,其有望在充满未知物体撞击的深海或太空环境中实现软体机器人的信号传递和任务执行。总之,这种多模式的快速离心抽丝策略开辟了一种全新的高性能蚕丝生产方法,为大规模、连续化制备高性能动物丝材料(柞蚕、蜘蛛及蓑蛾等)提供了有力支持。


(封底图片) 


1:离心抽丝设备示意图及三种抽丝工艺过程 


2:离心拉伸蚕丝的力学特征 


3:离心拉伸蚕丝纱线的一步法制备及其断裂强度


4离心拉伸蚕丝的二级结构变化


5离心拉伸蚕丝纱线在气动致动器中的应用


  该工作以High-performance artificially reeled silkworm silk via a multi-task and high-efficiency centrifugal reeling technique and its application in soft actuators为题发表在国际权威材料期刊Materials Horizons上,选为当期封底文章。文章第一作者是浙江理工大学纺织科学与工程学院(国际丝绸学院)博士生侯腾,通讯作者为杨斌教授。该工作得到了浙江省自然科学基金等项目的资金支持。浙江大学国际联合学院欧阳宏伟教授和博士后王小召对该研究提供了帮助和指导。该工作是杨斌教授团队近年来在功能蚕丝材料的相关研究中取得的进展之一,相关设备已申请中国发明专利并授权(专利号:ZL 2019 1 0998971.2)。


  论文链接:https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2023/MH/D3MH00494E


课题组简介


  杨斌,教授/博导,浙江理工大学,纺织科学与工程学院(国际丝绸学院),微纳米纤维加工创新团队负责人。主要从事超细纤维制备、太赫兹光谱、功能蚕丝材料、智能及功能纺织品等方面的研究。主持、参与国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等多项课题。以通讯作者身份在Materials Horizons、International Journal of Biological Macromolecules、Food Chemistry、Analytical Chemistry、Polymer、Analyst、Journal of Hazardous Materials、Separation and Purification Technology、Materials & Design、Carbohydrate Polymers等期刊发表SCI论文40余篇,授权国家发明专利20余项。电子邮箱:yangbin5959@zstu.edu.cn


  下载:High-performance artificially reeled silkworm silk via a multi-task and high-efficiency centrifugal reeling technique and its application in soft actuators

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(责任编辑:xu)
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