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蚕丝是一类重要的天然蛋白质纤维,应用于纺织领域已有数千年的历史。丝素蛋白(SF)作为蚕丝的主体成分,以其良好的生物相容性、可控的生物可降解性以及优异的力学性能,在生物医用材料、柔性电子器件以及能源装置等领域得到了广泛的应用。有别于传统无机、有机聚合物气凝胶,由SF制备的气凝胶材料在传统气凝胶特性的基础上,还具有生物相容、化学可修饰和结构可调控特征,在热量管理、医用植入材料以及智能可穿戴等领域展现出潜在的应用前景。然而,SF气凝胶的力学性能普遍较差,这阻碍了其进一步应用。为此,本文首先对比研究了碱体系和非碱体系脱胶工艺对SF及制备气凝胶结构和性能的影响规律,阐明了非碱尿素脱胶提升SF气凝胶力学性能的作用机制;其次,通过同轴湿法纺丝工艺制备了具有皮芯结构的醋酸纤维素/聚丙烯酸@丝素蛋白(CA/PAA@SF)气凝胶纤维,研究了气凝胶纤维的微观结构、力学性能和保温特性;在此基础上,通过掺杂氧化石墨烯(GO),制备了兼有红外辐射加热和高效保温隔热功能的CA/PAA@SF/GO气凝胶纤维。具体研究内容和研究结果如下:(1)脱胶对丝素蛋白结构和性能的影响:分别采用碱体系(碳酸钠)、非碱体系(尿素)两种工艺对蚕生丝进行脱胶,对比研究了 SF的形貌结构、分子量分布以及溶液性质等,结果表明:传统的碳酸钠脱胶能够溶解部分丝素,造成脱胶率较高,而脱胶蚕丝的白度较低;另一方面,非碱体系的尿素脱胶对蚕丝结晶度的影响小于碱性的碳酸钠脱胶,且能够降低对SF肽链的损伤,经溶解制备的SF具有较高的分子量、较高的黏度以及较低的Zeta电位;因此,水溶液中的SF分子易于进行自组装而形成粒径较大的SF聚集体,从而有利于后续制备的SF气凝胶形成稳定骨架结构。(2)丝素蛋白气凝胶的制备及表征:以尿素脱胶工艺制备的SF为原料,经冷冻干燥工艺制备了 SF气凝胶(密度和孔隙率分别为13.43±0.77 mg/cm3和99.1%),系统研究了气凝胶的微观形貌和力学性能,基于红外光谱的高斯分峰定量分析了 SF气凝胶的二级结构,并与碳酸钠脱胶工艺制备SF气凝胶材料进行对比,结果表明:非碱体系的尿素溶液可降低脱胶对SF的损伤,水溶液中的SF大分子易于聚集自组装形成网络结构,冷冻干燥制备的SF气凝胶形貌完整,具有稳定的骨架结构,且β-折叠结构相对含量和结晶度均高于碳酸钠脱胶蚕丝制备的气凝胶,从而提升了 SF气凝胶的力学性能和热稳定性能;此外,空气运动在SF气凝胶蜂窝状多孔结构中受阻,限制了热对流,且气凝胶具有超高的孔隙率,导致其热传导显著降低,同时气凝胶的孔壁增加了对红外光的反射,抑制了热辐射,结果,相比羊毛呢等常规保暖面料,气凝胶在40至200℃之间表现出优异的隔热性能,有望应用于纺织品的保温隔热领域。(3)连续、高强丝素蛋白气凝胶纤维的制备及保温特性:采用同轴湿法纺丝制备了 CA/PAA中空纤维,用于SF气凝胶纤维的加工模板和保护层;随后,将SF前驱体溶液注入中空纤维,通过冷冻干燥制备了 CA/PAA@SF气凝胶纤维用于纺织品的保温隔热;结果表明,制备气凝胶纤维的皮层具有分级多孔结构,包括微孔(11.37±4.01 μm),亚微米孔(217.47±46.16 nm)以及内壁(44.00±21.65 nm)和外壁(36.43±17.55 nm)表面的纳米孔。此外,多孔的CA/PAA@SF气凝胶纤维具有低密度(0.21 g/cm3),高孔隙率(86%),高拉伸强度(2.6±0.4MPa)以及连续和大规模的生产潜力等优势。多尺度多孔的CA/PAA中空纤维与超低密度SF气凝胶芯的独特结合,显著降低热对流、热传导和热辐射等三种传热方式的贡献,导致气凝胶纤维组成的纤维垫在较宽工作温度范围(-20-100℃)内展现出优异的保温隔热性能,这为SF气凝胶在高性能可穿戴隔热材料的开发及其在纺织品隔热领域中的应用开辟了一种崭新的途径。(4)丝素蛋白/氧化石墨烯气凝胶纤维的制备及红外辐射加热性能:为实现SF气凝胶纤维在个人热管理领域中的应用,在CA/PAA@SF气凝胶纤维的基础上,进一步采用GO对SF进行掺杂修饰,制备了具有红外辐射加热和保温隔热功能的CA/PAA@SF/GO气凝胶纤维;SF和GO之间可形成强烈的相互作用,使得两组分能够均匀共混,经冷冻干燥后在中空纤维芯层形成完整的气凝胶骨架结构;同时,分级多孔的中空纤维不仅有利于芯层SF/GO气凝胶的成型,还有助气凝胶纤维力学强度的提高,CA/PAA@SF/GO气凝胶纤维最大拉伸强度为3.0 ± 0.2 MPa,与先前报道的气凝胶纤维相当,甚至更高;此外,GO的掺杂赋予了 SF气凝胶纤维红外辐射加热功能,经红外线辐射30 s后,纤维表面温度升高2.6℃,高于中空纤维和SF气凝胶纤维;更重要的是,GO的掺杂不会减弱SF气凝胶纤维的保温隔热性能,人体与纺织品之间微环境的传热机理分析表明分级多孔的中空纤维和SF/GO气凝胶的共同降低了热对流,热传导和热辐射的贡献,使得CA/PAA@SF/GO气凝胶纤维具有高效的保温隔热功能,这为用于个人热管理的高性能气凝胶纤维的开发铺平道路。