AFM：仿生界面工程策略实现刚性纤维的普适性增韧

摘要

开发一种简单、普适的方法，将短而刚性的纤维转化为超长、高韧性的纤维，具有重要的理论和实践意义，但其实现面临巨大挑战。受天然蚕丝复杂结构的启发，本研究提出一种仿生界面工程技术，通过将柔软的丝素蛋白作为柔性鞘层交替包裹于刚性竹微纤维之间，成功制备出超长、高韧性的竹-丝复合纤维（BSFs）。该复合纤维的韧性是原始竹微纤维的约12倍。通过调节丝素蛋白的力学性能，该方法可广泛应用于生物聚合物（如纤维素）、合成聚合物（如芳纶）和无机材料（如玻璃纤维）的增韧。其核心在于精准调控软性蛋白基质与刚性组分间的界面相互作用，为制备高韧性纤维提供了新思路，并显著拓展了生物质、无机或石化基纤维的潜在应用。

引言

近年来，高性能纤维的研究主要集中在石油基合成纤维和无机纤维领域，这类材料在航空航天、医疗设备和能源等领域发挥了重要作用。然而，随着资源和环境问题的日益突出，开发轻质、可持续、高强高韧的生物质基纤维成为重要研究方向。然而，直接从木质纤维素（如竹材）中提取微纤维面临诸多挑战：竹材的致密纳米结构及节点不均匀性导致其断裂应变低（<5%），韧性不足。现有增韧策略（如氢键调控、化学修饰等）虽能改善纤维性能，但其韧性仍普遍低。因此，开发普适性增韧技术对生物质纤维及合成/无机纤维的协同增强至关重要。

自然界中，丝蛋白通过弱界面滑移、缺陷保护和能量耗散等机制实现高延展性（≈30%）和韧性（≈150 MJ m?3）。受此启发，安徽农业大学郑可、叶冬冬团队联合上海科技大学凌盛杰教授团队等，提出了一种仿生界面工程策略，通过引入天然丝素蛋白作为柔性界面层，成功将短而脆的竹纤维转化为超长、高韧性的复合纤维。

结果与讨论

1. 竹-丝复合纤维（BSFs）的制备
通过温和脱木质素工艺制备出长度约20厘米、拉伸强度为645 MPa的竹微纤维。利用连续纺丝装置将竹微纤维与丝素蛋白溶液结合，形成交替排列的复合结构（图1a-c）。丝素蛋白作为柔性鞘层均匀包裹竹微纤维，并通过溶剂蒸发固化，无需后处理。所得BSFs的断裂应变提升至28%，韧性达115 MJ m?3（图1d-e），分别是原始竹微纤维的8倍和12倍。光谱与显微成像显示，丝素蛋白主要分布于竹微纤维间隙及表面（图2），通过界面粘附与应力传递实现协同增韧。

2. 结构与性能关系
随着丝素蛋白含量的增加（3%-35%），BSFs的韧性呈现先升高后降低的趋势，最佳含量为20%（韧性达132 MJ m?3）。拉伸-剪切链模型表明，丝素蛋白的粘弹性及界面滑移是能量耗散的关键（图3a-e）。此外，缺口BSFs的裂纹沿纵向扩展而非横向断裂（图3d），证实了丝素蛋白对缺陷的抑制作用。与天然蜘蛛丝相比，BSFs的韧性（115 MJ m?3）接近蜘蛛拖丝（130-150 MJ m?3），且具备优异的弯曲性能（图3h）。

3. 普适性验证
该方法可扩展至芳纶（Kevlar）和玻璃纤维。芳纶@丝素复合纤维的韧性提升至 236 MJ m?3（图4a-c），玻璃纤维@丝素复合纤维韧性达 120 MJ m?3（图4d-f）。然而，当刚性组分（如人发）与丝素蛋白模量相近时（模量比<10），增韧效果显著降低（图4g-i），表明刚性-软性模量差异是界面增韧的必要条件。

总结

本研究通过仿生界面工程策略，成功实现了竹纤维、芳纶及玻璃纤维的普适性增韧。以竹纤维为例，丝素蛋白的引入使其韧性和断裂应变分别提升12倍和8倍，达到和32%。机理研究表明，丝素蛋白的粘弹性及界面滑移是能量耗散的核心。该方法为刚性材料的增韧提供了通用框架，未来可进一步拓展至其他高模量材料体系。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202501380

来源：高分子凝胶与网络