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 摘要】

當前，世界面臨著不可再生化石資源逐漸枯竭、不可降解塑料垃圾對陸地和海洋生態環境的嚴重危害等問題。由于對纖維材料需求的快速增長，開發高性能生物質基纖維已成為減少對石油基合成纖維依賴的重要研究課題。最近，武漢大學蔡杰教授團隊開發了一種新型的綠色濕紡策略用于通過兩步拉伸工藝從 KOH/尿素水溶液制造超強和超硬殼聚糖長絲。

所得長絲的高度有序的分層結構有助于其優異的機械性能。殼聚糖長絲的拉伸強度和楊氏模量分別為 878 ± 123 MPa 和 44.7 ± 12.3 GPa，這些值與蜘蛛絲和細菌纖維素的值相當。該研究制備的殼聚糖長絲在比強度和模量方面均優于低密度鋼。本研究提出的綠色和可擴展策略將拓寬殼聚糖長絲在柔性生物電子學、生物材料和紡織品中的應用范圍。相關論文以題為Super-Strong and Super-Stiff Chitosan Filaments with Highly Ordered Hierarchical Structure發表在《Advanced Functional Materials》上。

【主圖導讀】

圖1 a）通過兩步拉伸過程濕紡制備殼聚糖長絲和分層結構。b) 蝦殼、c) 殼聚糖粉、d) 殼聚糖溶液、e) G-ChFs 和 f) D-ChFs 的照片。g) 打結的殼聚糖長絲的 SEM 圖像。h) 承載 2 kg 重量而不斷裂的殼聚糖長絲的照片。

圖2 a) FT-IR 光譜，b) XRD 圖案，c) 13C NMR 光譜，以及 d) 幾丁質粉末、殼聚糖粉末和殼聚糖長絲的 TG 曲線。

圖3 a-d) G-ChFs-I 表面的 SEM 圖像和 e-h) D-ChFs-I 表面的 AFM 圖像，λ1 值為 0.68 (a,e), 1.05 (b,f) )、1.20 (c,g) 和 1.35 (d,h)。箭頭表示繪制方向。i) (h) 中 D-ChFs-I 表面的 SEM 圖像。插圖顯示了相應的橫截面。j-l) λ1 = 0.68 (j)、D-ChFs-I λ1 = 0.68 (k) 和 1.35 (l) 的 G-ChFs-I 的 WAXD 模式。m) 具有不同 λ1 值的 G-ChFs-I 和 D-ChFs-I 的直徑統計數據。n) 具有不同 λ1 值的 D-ChFs-I 的 2D WAXD 圖案的方位角積分強度分布曲線。o) λ1 值對方向參數 f 的影響。

圖4 a-d) G-ChFs-II 表面的 SEM 圖像和 e-h) D-ChFs-II 表面的 AFM 圖像，其中 λ1 = 1.35 和 λ2 = 1.25 (a,e), 1.5 (b ,f)、1.75 (c,g) 和 2.0 (d,h)。箭頭表示繪制方向。i) (h) 中 D-ChFs-II 表面的 SEM 圖像。插圖顯示了相應的橫截面。j-l) λ2 = 1.25 (j)、D-ChFs-II λ2 = 1.25 (k) 和 2.0 (l) 的 G-ChFs-II 的 WAXD 模式。m) 具有不同 λ2 值的 G-ChFs-II 和 D-ChFs-II 的直徑統計數據。n) 具有不同 λ2 值的 D-ChFs-II 的 2D WAXD 圖案的方位角積分強度分布曲線。o) λ2 值對方向參數 f 的影響。

圖5 a-c) SAXS 圖案，b-f) D-ChFs-I 的 SEM 圖像，λ1 = 0.68 (a,d) 和 1.35 (b,e)，D-ChFs-II λ2 = 2.0 (c, F）。SAXS 圖案中的箭頭顯示了纖維方向。SEM 圖像顯示了 D-ChFs-I 和 D-ChFs-II 在拉伸變形下的斷裂橫截面。g) (f) 中 D-ChFs-II 的偏振拉曼光譜，激光束偏振平行和垂直于光纖軸。從拉伸模式強度在 h,k) 2885 cm−1, i,l) 1656 cm−1 和 j,m) 1098 cm−1 獲得的 D-ChFs-II 的拉曼圖像，激光束偏振平行（ h-j) 并垂直于 (k-m) 纖維軸。

圖6 a-d) G-ChFs-I 和 e-h) D-ChFs-I 在不同濃度和溫度的 KCl 和乙醇水溶液中的機械性能。λ1 和 λ2 值分別為 0.68 和 1.0。具有不同 i) 拉伸比和 j) RH 水平的 D-ChFs-II 的機械性能。k) 本研究中制備的殼聚糖長絲和其他天然、合成和金屬纖維的比強度與比楊氏模量曲線。

【總結】

團隊開發了一種綠色濕紡策略，用于從 KOH/尿素水溶液制造超強和超硬殼聚糖長絲。殼聚糖長絲的高度有序的層次結構有助于其優異的機械性能。殼聚糖長絲的拉伸強度和楊氏模量分別為 878 ± 123 MPa 和 44.7 ± 12.3 GPa。這些值與蜘蛛絲和細菌纖維素的值相當。殼聚糖長絲在比強度和模量方面優于低密度鋼。應該強調的是，本研究中提出的合成策略不僅產生了具有優異機械性能的殼聚糖長絲，而且還是傳統纖維制備方法的一種有前途的環保替代品。這項研究為殼聚糖纖維的制造提供了一種可擴展的技術，將有助于實現其在柔性生物電子學、生物材料和紡織品等各個領域的實際應用，以從可再生和可持續的海洋生物質中替代傳統的化石纖維材料。