Strategy to Fabricate a Strong and Supertough Bio-Inspired Fiber with Organic–Inorganic Networks in a Green and Scalable Way

材料科学 蜘蛛丝 韧性 丝绸 纤维 纳米技术 断裂韧性 复合材料 无定形固体 纳米尺度 高分子科学 增韧 化学 有机化学
作者
Panyi Xi,Fengyu Quan,Jiuyong Yao,Yanzhi Xia,Kuanjun Fang,Yijun Jiang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (10): 16478-16487 被引量:41
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c05952
摘要

Green and scalable production of some fibrous materials with higher fracture energy has long been the goal of researchers. Although some progress has been made in recent years in the research of materials with high fracture energy, inspired by the fiber structure of spider silk, it is still a great challenge to produce artificial fibers with extremely high toughness using a simple and green process. Here, we use the molecular and nanoscale engineering of calcium phosphate oligomers (CaP, < 1 nm) and waterborne polyurethanes (WPU) macromolecules that have strong interactions to form organic–inorganic networks just like β-sheet crystalline and flexible amorphous regions in spider silk. Through a simple and green route based on widespread paper string processing techniques, we fabricate a strong and supertough bioinspired fiber with a high strength (442 MPa), which is 7–15 times higher than the strength of counterpart PU (20–30 MPa), and a super toughness (640 MJ m –3 ), which is 2–3.5 times higher than the toughness of spider dragline silk. This technique provides a strategy for industrially manufacturing spider fiber-like artificial fibers with a super toughness.
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