武汉纺织大学徐卫林教授团队《ACS AMI》：废弃蚕丝再遇聚氨酯

蚕丝作为生物相容性良好的天然蛋白质纤维，在生产、加工和织造过程中以及使用后存在大量的废弃物。基于可持续发展原则，徐卫林教授研究团队采用自主专利设备，实现了物理法回收蚕丝废弃物，较好的保留了丝素蛋白本体优异的结构和性能，且不产生二次污染物。但物理回收的未改性丝素粉体在与高分子材料复合形成多级结构时，当粉体含量较高时，复合材料的力学性能较低，限制了丝素粉体的充分应用。因此，在不进行化学改性的情况下，如何提高高含量微米级填料粒子复合材料的韧性仍存在挑战。

近期，武汉纺织大学徐卫林教授课题组结合浸没沉淀成型理论和溶剂蒸发成型理论，打破传统化学改性法优化界面，通过物理成型方法调控聚合物链的组装方式及填料粒子与聚合物基体间的界面作用力，制备出了增韧的聚氨酯/未改性丝素粉体复合膜（PU-SF）。

该工作以标题"Fabrication of High-toughness Polyurethane/FibroinComposite without Interfacial Treatment and its Toughening Mechanism"发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，第一作者张春华博士，通讯作者刘欣教授和徐卫林教授。

图1 常规浸没沉淀法、常规溶剂蒸发法和二元溶剂体系浸没沉淀法制备的PU-50%SF复合膜的应力-应变曲线

在50 wt% SF含量下，采用二元溶剂体系浸没沉淀法制备的PU-50%SF复合膜，较常规浸没沉淀法制备复合膜的断裂伸长率和韧性分别提高了145.1%和1670.9%；较常规溶剂蒸发法制备复合膜的断裂伸长率和韧性分别提高了11733.0%和6000.0%。

图2 常规浸没沉淀法、常规溶剂蒸发法和二元溶剂体系浸没沉淀法制备的PU膜及PU-50%SF复合膜的扫描电镜图和动态热机械性能

常规浸没沉淀法所制备的PU-50%SF复合膜为不规则多孔结构，常规溶剂蒸发法所制备的PU-50%SF复合膜为致密多裂纹结构，而该研究采用二元溶剂体系浸没沉淀法所制备的PU-50%SF复合膜为独特的紧密微孔结构。

图3 常规浸没沉淀法、常规溶剂蒸发法和二元溶剂体系浸没沉淀法制备的PU与丝素纤维间的界面剪切强度

通过微球脱粘实验分析发现，采用二元溶剂体系浸没沉淀法制备的复合膜中PU与SF具有良好的界面作用力。

图4 常规浸没沉淀法、常规溶剂蒸发法和二元溶剂体系浸没沉淀法制备的PU-50%SF复合膜的拉伸断裂机理

常规浸没沉淀法制备的PU-SF复合膜，由于SF与PU间存在较大孔隙，以及不规则大孔的弱结效应，使得复合膜的应力较低；常规溶剂蒸发法制备的PU-SF复合膜，在外力作用下，容易产生应力集中现象，内部裂纹的快速扩展导致材料失效。而该研究采用二元溶剂体系浸没沉淀法制备的PU-SF复合膜，能够结合浸没沉淀致相转变的优势及溶剂蒸发过程中分子链的压缩作用，实现独特的紧密式“渔网”结构，且PU与SF之间具有良好的界面作用力，在外力作用下，应力能够良好的在SF与PU间传导，提高了复合材料的韧性。这项工作为废弃物的循环再利用提供了一种简单、切实可行的方法，为具有良好韧性的仿蚕丝纤维和仿生材料的制备等提供了新的策略。