1.高强高模天然纤维——蜘蛛丝要点

——蜘蛛丝

作者：凌正

摘要：蜘蛛丝是一种天然动物蛋白纤维,含有(GPGXX)n/(GPGQQ)n、An/(GA)n、(GGX)n等多种重复多肽序列,具有多样的分子结构、机械性能与生物生态学功能,同时还具有强度高、弹性好、初始模量大、断裂能大、可生物降解、生物相容性好、保湿性好、轻盈等其它合成高性能纤维所无法比拟的优良机械性能及特性。为此,本研究对蜘蛛丝的组成、结构、机械性能、纺丝机理、应用前景进行了概述，并且通过对蜘蛛丝的氨基酸组成及其丝纤维的表面形态结构和蜘蛛丝的分子构象与聚集态结构的分析研究，探索蜘蛛丝的组成与结构对其性能的影响，对于开发新型纤维材料具有重要启迪意义。

关键词：高强、高模、天然纤维、蜘蛛丝、结构、机械性能、应用前景。

正文：

前言

蜘蛛因具有许多天然纤维甚至高性能合成纤维无法比拟的优异力学性能，而成了国内外许多研究机构和学者关注的焦点，近年来，国外的学者在研究蜘蛛丝结构和性能的同时，借助于日益发展的生物技术，采用基因移植的方法研制了人工合成蜘蛛丝蛋白，并采用化学纤维纺丝的方法将其制成类蜘蛛丝，但由于性能上的缺陷、加工过程复杂、成本高等因素，仿蜘蛛丝尚未实现工业化生产。从材料科学的角度来看，纤维的性能取决于其大分子链结构和聚集态结构，探明纤维性能形成机理的根本在于：掌握其结构和性能间的本构关系。因此，要使蜘蛛丝的力学性能在人造生体高分子纤维上得到表达，研究其性能的结构机理和形成这种结构的方法原理是至关要的。本文以广泛分布于我国各地的大腹圆蛛为研究对象，在研究分析其三种主要的丝纤维——牵引丝、蛛网框丝、包卵丝的力学性能、色泽、密度与吸湿性以及热学性能的基础上，从以下几方面探索了蜘蛛丝优异力学性能的形成机理。研究了蜘蛛丝力学性能的分子基础分析大腹圆蛛丝纤维的氨基酸组成特征，并通过与其他种类蜘蛛丝及蚕丝丝素纤维的比较，研究蜘蛛丝的氨基酸组成对其分子结构和分子排列的影响。采用激光拉曼光谱和红外光谱技术，分析了不同功能蜘蛛丝的分子构象，探索了蜘蛛丝的氨基酸组成及分子结构和其力学性能间的关系。蜘蛛丝优异力学性能的结构机理及其模化摘要研究了蜘蛛丝力学性能与微观结构的关系采用x射线衍射技研究和分析了蜘蛛丝的结晶结构及其取向。通过对蜘蛛丝的物理、化学处利用扫描电镜观察和分析了蜘蛛丝的微观结构特征，发现了蜘蛛丝具有皮术理芯层结构和原纤化构造。分析了结晶度不足10%的蜘蛛丝具有高强度和高伸长的原因，研究了皮芯层结构对蜘蛛丝力学性能的影响以及不同功能蜘蛛丝应力一应变行为差异的形成原因。研究了成丝条件与蜘蛛丝分子结构及性能的关系在分析蜘蛛丝生物纺丝机制的基础上，研究了成丝过程中蜘蛛丝蛋白分子构象的变化规律，探索了成丝条件对蜘蛛丝分子结构的影响以及蜘蛛随着生存环境和成丝方式的不同对丝纤维性能的自动调控能力，并进一步分析了分子结构和蜘蛛丝力学性能间的关系。研究了皮芯层的比例和性能特征对蜘蛛丝纤维拉伸断裂模式的作用，并建立了理论方程。

蜘蛛丝的历史：

蜘蛛丝是一种天然高分子蛋白纤维和生物材料。纤维具有很高的强度、弹性、伸长、韧性及抗断裂性，同时还具有质轻、抗紫外线、比重小、耐低温的特点，是其它纤维所不能比拟的。纤维初始模量高、断裂功大、韧性强，是加工特种纺织品的首选原料。蜘蛛丝由蛋白质组成，是一种可生物降解且无污染的纤维。

蜘蛛丝纺织品的生产可追溯至18世纪，最具代表性的是1710年巴黎科学院展出的蜘蛛丝长统袜和手套，这是人类历史上第一双用蜘蛛丝织成的长统袜与手套；1864年美国制作了另外一双薄蛛丝长统袜，所用的蛛丝是从500个蜘蛛喷丝头中抽取出来的，这种长统袜由于太薄而不能穿；1900年巴黎世界博览会上展示了用2.5万只蜘蛛吐出的9.14万米长的丝织成的一块长16.46m、宽0.46m 的布，该产品花费太高，没有带来商业利润。到1997年初，美国生物学家安妮·穆尔发现，在美国南部有一种被称为“黑寡妇”的蜘蛛，它吐出的丝比现在所知道的任何蜘蛛丝的强度都高。蜘蛛丝特殊的结构和性能已引起世界各国的关注，并在纺织、医疗卫生和军事领域产生了极其重要的影响。目前，国内外许多科学家已通过基因工程将蜘蛛的基因移植到其它动植物体内，从而使蜘蛛丝纤维实现工业化生产的梦想成为现实。

一、蜘蛛丝的组成

蜘蛛丝产生于蜘蛛体内特殊的分泌腺，这些分泌腺因蜘蛛的种类不同而各异。到目前为止，生物学家共发现了7种类型的分泌腺，常见的有葡萄腺、梨状腺、壶状腺、叶状腺、集合腺等。蜘蛛的种类繁多，会吐丝结网的大约有2万多种。按吐丝种类的多少，蜘蛛可分为古蛛亚目、原蛛亚目和新蛛亚目。古蛛亚目的蜘蛛只能吐出一种丝；原蛛亚目的蜘蛛可吐出3种丝；新蛛亚目的蜘蛛可吐出7种丝。一般来说，新蛛亚目所有的蜘蛛都会有7种丝腺，各种丝腺分别能吐出不同性质的蜘蛛丝(见表1-6)。

蜘蛛丝的主要成份是蛋白质，其基本组成单元为氨基酸。蜘蛛丝中含17种左右的氨基酸，各种氨基酸的含量因蜘蛛的种类不同而存有一定的差异。蜘蛛丝中含量最高的7种氨基酸的总和约占其总量的90%，它们分别为甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、脯氨酸、丝氨酸、亮氨酸和精氨酸(见表1-7)。

表1-6 圆蛛族7种丝腺吐丝及其性质

蜘蛛的种类很多，不同蜘蛛丝的氨基酸组成差异很大。目前，对蜘蛛产生的各种丝的组成和结构仅有有限的信息和数据，大多数的研究是关于络新妇属蜘蛛(Nephlia clavipe)腹状腺纺出的蜘蛛丝，又称为蜘蛛的牵引丝(dragline)。与蚕丝一样，蜘蛛丝的主要成分是一种叫做蜘蛛素的特殊蛋白质，其成分与蚕丝中的丝蛋白相似。这种蛋白质内合有大量的丙氨酸(约占25%)和甘氨酸(约占40%)。研究发现，含丙氨酸的蛋白分子排列成紧密的折皱结构，呈晶体状，是造成蜘蛛丝异常坚固的原因；而含甘氨酸的蛋白分子的排列却显得杂乱无章，从而使得蜘蛛丝有极好的弹性和扩张性，这就是蜘蛛丝既坚又韧的原因。

二、蜘蛛丝纤维的结构

（一）蜘蛛丝的形态

蜘蛛丝呈金黄色，具有透明外观，在超倍电子显微镜下，看起来与蚕丝很相似。它的超分子结构是由原纤组成，而原纤由120nm的微原纤组成，微原纤则是由蜘蛛丝蛋白构成的高分子化合物。蜘蛛丝的形态结构见图1-3。纤维的横截面

呈圆形或接近圆形，表面没有水溶性物质和丝胶；纵向形态有明显的收缩，丝中央有一道凹痕。蜘蛛丝在水中有较大的溶胀性，截面会发生膨胀而径向则会发生明显的收缩。蜘蛛丝是单丝，直径只有几微米，物理密度接近羊毛。蜘蛛的腺液离开蜘蛛体后，会立刻成为固体，形成一种蛋白质丝，固化后的蜘蛛丝不溶于水，并具有其他纤维无法比拟的性能。

(a)横截面形态结构

(b)纵向表面形态

图1-3 蜘蛛丝的形态结构

蜘蛛丝具有皮芯层结构，皮层和芯层可能是由两种不同的蛋白质组成的，皮芯层分子排列的稳定性也不同，皮层蛋白的结构更稳定。蜘蛛丝的皮层和芯层是由腺体的2个不同区域组成的，皮层液状蛋白为六角形的柱状液晶，液晶状的皮层在外力的作用下，容易取向排列，且皮层凝固速度高于芯层，所以皮层拉伸效果比芯层好，同时皮层分子排列的规整程度高于芯层，因此皮层化内层致密，对纤维有很好的保护作用，这使蜘蛛丝能表现出较高的强度和韧性。蜘蛛丝纤维在外力作用下分子链会逐渐伸直，致密的皮层能使纤维的断裂有一个缓冲过程，同时在外力继续作用下，芯层的原纤和原纤内的分子链能够沿着外力作用方向取

向、重排和形成新的结合，所以皮层这种致密结构使得拉伸过程中纤维的各部分都能够被有效利用，这也是蜘蛛丝断裂伸长大的主要原因。

（二）蜘蛛丝的微观结构

蜘蛛的蛋白质分子构象为β-折叠链，分子链沿着纤维轴线的方向呈反平行排列，相互间以氢键结合，形成曲折的栅片，其多肽链排列整齐、密集形成结晶区。尺寸为2 nm×5 nm×7 nm的纳米微晶体，占蜘蛛丝纤维总质量的10%左右，它是分散在蜘蛛丝无定形蛋白质基质中的增强材料。由于蜘蛛丝的晶粒如此之小，以至于纤维在外界拉力作用下随着类似于橡胶的无定形区域的取向增加，蜘蛛丝晶体的取向度也随之增加。当纤维拉伸度为10%时，纤维结晶度不变，结晶体的取向增加，横向晶体尺寸(即垂直于纤维轴向)有所减少，这是任何合成纤维的结构随拉伸形变无法实现的特性。

蜘蛛丝的微观结构模型可以这样描述：由柔韧的蛋白质分子链组成无定型区，再由一定硬度的棒状微粒晶体起增强作用。这些晶体由疏水性的聚丙氨酸排列的β-折叠片层组成，折叠片层中分子在氢键作用下相互平行排列。另一方面，甘氨酸富集的聚肽链组成了蜘蛛丝蛋白中的无定形区，无定形区内的聚肽链间通过氢键交联，构成了类似橡胶分子的网状结构。

由蜘蛛丝的结构模型可以看出，由于结晶区内多肽链分子间的氢键作用，分子间作用力很大；而沿着纤维轴线方向排列的晶区结构又使外力作用时有更多的小晶区能承受外力作用，这是使得蜘蛛丝具有很高的强度的原因。同时，由于蜘蛛丝的结晶度为10%~15%，比蚕丝(50%~60%)小得多，而非结晶区则比蚕丝大得多。因此，可以认为蜘蛛丝具有良好弹性的主要原因是非结晶区的贡献。此外，非结晶区分子呈β转角状，当受到拉伸力作用时可能会形成β转角螺旋，这也赋予了蜘蛛丝良好的弹性。

图1-4 蜘蛛丝的显微电镜图

人们早就发现蜘蛛丝能吸收振动能量，并能使机械能转变成热量—假如不是这样，则飞行苍蝇和蝴蝶撞上蜘蛛网时就会被弹回到相反方向。蜘蛛丝为何具有这些特性，长期以来一直无人知晓。美国加利福尼亚研究机构的物理学家和生物学家组成的研究小组揭开了蜘蛛丝的秘密，他们在显微镜下发现蜘蛛丝是一根极细的螺线，看上去像长长的浸过液体的“弹簧”(图1-4)。当“弹簧”被拉长时它会竭力返回原有的长度，但是当它收缩时液体会吸收全部剩余能量，同时使机械能转变成热量。

（三）蜘蛛丝的成丝过程

图1-5 蜘蛛的纺丝管

蜘蛛吐丝的过程基本相似，以十字圆蜘蛛为例，在十字圆蜘蛛的前腹部有用来形成蛛丝纤维的壶状腺。壶状腺由3部分组成、中心小囊、一条很长的弯管和出口。蜘蛛在拉丝时，小囊内部的细胞会分泌出许多露珠状的粘液，粘液中含有两种蜘蛛素蛋白。当这些黏液流到小囊的下部时，下部的细胞会分泌出另一种蛋白质，即糖蛋白与之混合，从而形成液态晶体结构的纤维。然后，这些黏稠的液体便向出口流动。此时，各种蛋白质内的长分子会沿着纤维的中心线平行地排列，并由分子间形成的氢键连接，最后完成蜘蛛丝的原料制备并向纺丝器输出。纺丝器位于蜘蛛腹部的中、后部，是最终“出产”蜘蛛丝的地方。纺丝器上有许多像喷头形状的纺丝管(图1-5)，蜘蛛丝就是从这里喷出来的。纺丝管的数量因蜘蛛种类的不同而各异，数量最多的是一种线纹冒头蜘蛛，它身上的纺丝管有9600根，一根蜘蛛丝就是由无数纺丝器上喷出的细丝合并成的。

三、蜘蛛丝的性能

①断裂性能

蜘蛛丝的物理密度是1.34 g/cm3，与蚕丝和羊毛接近。蜘蛛丝最吸引人的地方是其具有优异的力学性能，即高强度、高弹性、高柔韧性、高断裂能。由表1-8可以看出，大腹圆蜘蛛的牵引丝、框丝和外层包卵丝的断裂强度均比蚕丝丝素大，断裂伸长是丝素的3～5倍，断裂比功也比丝素大得多。蜘蛛丝的断裂强度虽然不及钢丝和用于制造防弹衣的高性能纤维Kevlar，但是其断裂伸长是钢丝的5～10倍，是Kevlar的10～20倍，其断裂功比钢丝和Kevlar大得多。此外，纤维有较高的干湿模量，在干湿态下都具有高拉伸强度和高延伸度。

②剪切性能

蜘蛛丝很细，其横向压缩能力要比其它纤维差，纤维有很大的各向异性。蜘蛛丝有很强的扭转性能，其剪切强度比其它纤维（包括凯夫拉）要高得多，具有很高的扭转稳定性。

③弹性

蜘蛛丝具有良好的弹性，当伸长至断裂伸长率的70%时，弹性恢复率仍可高达80%~90%。

（二）蜘蛛丝的耐热性

蜘蛛丝有良好的耐高温、低温性能。据报导，蜘蛛丝200℃下表现出很好的热稳定性；在300℃以上才变黄，并开始分解；在零下40 ℃时仍有弹性，只有在更低的温度下才会变硬。在有高温、低温使用需求的场合下，蜘蛛丝纤维的优点非常显著。

蜘蛛丝是一种蛋白质纤维，具有独特的溶解性，不溶于水、稀酸和稀碱，但溶于溴化锂、甲酸、浓硫酸等。对蛋白水解酶具有抵抗性，不能被其分解。遇高温加热时可以溶于乙醇。蜘蛛丝所显示的橙黄色遇碱加深，遇酸则褪色。它的微量化学性质与蚕丝相似。蜘蛛的腺液离开身体后马上形成固体，成为一种蛋白质丝，这种蛋白丝不溶于水。蜘蛛丝可以生物降解和回收，不会对环境造成污染。

四、蜘蛛丝纤维的生产方法

科学家们发现：蜘蛛的天然共存性很差，它们会自相残杀，同类相食。如果通过大量饲养繁殖蜘蛛的方法来获取蜘蛛丝是无法满足生产需要的。随着生物技术、遗传基因技术的发展，通过对蜘蛛丝蛋白和腺体分泌物的研究，科学家们成功地制造出了蜘蛛丝蛋白的合成基因，利用这种基因可生产出与天然蜘蛛丝蛋白相似的产品，这一研究成果，使得大规模生产人工合成蜘蛛丝成为可能。

从分类学的角度出发，这种人工合成的蜘蛛丝应属于再生蛋白质纤维。目前，蜘蛛丝生产的方法有以下几种：

(1)牛、羊乳蜘蛛丝

利用生物技术、转基因技术使奶羊或奶牛与蜘蛛“联姻”，将蜘蛛的蛋白基因注入奶牛或奶羊，其产下的奶中就含有大量的柔软光滑的蜘蛛蛋白成分，这种含有蜘蛛丝基因的蛋白质可用来生产有“生物钢”之称的纤维。据报道，加拿大一家生物技术公司已经成功地利用基因移植技术，使山羊生产的奶中含有类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质。用这种蛋白质生产的纤维，其强度是芳纶的3.5倍。利用这种纤维，可织成强度很高的面料。我国于近两年开始研究人工合成蜘蛛丝。科学家们将蜘蛛丝蛋白基因注入到小白鼠身上，成功地培养了一批带有蜘蛛丝蛋白基因的老鼠，并从这些转基因鼠的乳汁中提取了蜘蛛丝蛋白。不久将开始培育转基因奶牛，以达到大规模生产蜘蛛丝蛋白的目的。

(2)蚕吐蜘蛛丝

利用转基因技术，将蜘蛛丝的基因通过“电穿孔”的方法注入很小的蚕卵中，用蜘蛛丝基因取代蚕丝基因中的强度片段，从而在家蚕基因链中产生了部分蜘蛛丝

基因。中科院上海生命科学研究院运用转基因方法，在国际上首次实现了绿色荧光蛋白与蜘蛛丝基因的融合，获得了荧光茧——种高级的绿色环保材料。

(3)微生物合成蜘蛛丝

将蜘蛛丝蛋白的基因移植给微生物，当微生物繁殖时，可产生大量的类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质。科学家发现了一种细菌和一种酵母菌通过基因移植技术能够合成出类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质。

(4)转基因植物合成蜘蛛丝

虽然利用转基因动物或培育转基因细菌能生产出蜘蛛丝，但使用转基因植物生产丝蛋白的成本更低。将能生产蜘蛛丝蛋白的合成基因移植给植物，如谷物、花生、土豆和烟草等，通过大面积的种植，获取丝蛋白。德国科学家已从蜘蛛体内提取出蜘蛛丝蛋白基因，并将它植入多种植物的基因组。所培育出的转基因植物中，植株体内产生的丝蛋白含量超过了2%。

五、蜘蛛丝纤维的研究现状

现在国内外对蜘蛛丝的研究主要集中在两个方面：首先是对蜘蛛丝的内在结构的研究，特别是研究和分析了产生蜘蛛丝优异力学性能的机理；其次是人工合成蜘蛛丝的新方法研究。国内对蜘蛛丝的结构以及蜘蛛丝优异力学性能产生机理的研究较深入的主要是苏州大学的潘志娟、李春萍等，他们以大腹圆蛛牵引丝为研究对象，分析了蜘蛛丝的聚集态结构特征和形态结构特征，并在结构研究的基础上，探索和分析了蜘蛛丝优异的力学性能的形成机理，研究表明，蜘蛛丝具有原纤化和皮芯结构，其结晶度和取向度都很低，蜘蛛丝内可能含有分子排列介于结晶态和非结晶态的中间相。原纤分析表明，蜘蛛丝优异的力学性能可能是原纤化结构、皮芯结构、内部的中间相以及无定型区共同作用的结果。此外，他们还研究了蜘蛛丝的热学性能和一些物理性能。安徽农业大学的王建平、彭卫平等利用SEM

技术观察大腹圆蛛丝的形态。研究发现：大腹圆蛛丝的牵引丝是由单根、双根、三根、四根的单丝纤维组成，且这四种形态的牵引丝表面也有区别，其中包卵丝的伸长率，断裂强度与牵引丝相当，但包卵丝的刚性逊于牵引丝，大腹圆蛛的丝与其他种类的蜘蛛丝差异不大。

国外对蜘蛛丝的微细结构的研究也很多，S.F.Y.Li、Masayoshi Kitagawa Augsten K.等分别利用AFM、SEM、TEM分析了Nephilia Clavipes牵引丝的微细结构，发现了牵引丝的皮芯层结构特征。F.Vollrath、Z.Z.Shao等利用TEM对Nephilia 牵引丝的研究显示，这两种蜘蛛牵引丝截面内存在着不均匀性，纤维的芯层含有微小的伸展状的微管，这些微管可能对蜘蛛丝的力学性能有重要作用。

六、蜘蛛丝纤维的开发应用

蜘蛛丝纤维属于蛋白质纤维，具有许多其它纤维无法比拟的特性。所以，在很多领域都有广泛的开发应用价值。

(1)纺织制品

蜘蛛丝弹性好、柔软，穿着舒适，是很好的纺织纤维。利用基因技术将绿色荧光蛋白质与丝蛋白分子相融合生产出荧光丝，可与普通丝交织制成织物如服装、围巾、帽子等，在紫色、蓝色灯光下会发出荧光图案，成为全球时装展示会上最时尚的纺织面料。

(2)军事及民用防护领域

由于蜘蛛丝具备强度高、弹性好、柔软、质轻、断裂功大等优良性能，可以加工成防弹背心和防弹衣，也可以用于制造坦克和飞机的装甲，以及军事建筑物的“防弹衣”等，还可以用于复合材料和结构改性等方面。此外，蜘蛛丝还可以加工成网具、轮胎、防护材料等。

(3)航天航空领域

蜘蛛丝的强度高，韧性大，有一定的热稳定性，可用于做降落伞布、降落伞索，这种降落伞重量轻、防缠绕、展开力强大、抗风性能佳，坚牢耐用。蜘蛛丝还可用于织造太空服等高强度面料。

(4)医学领域

蜘蛛丝的优越性还在于它是天然的蛋白质纤维，与人体有很好的相容性。目前尚未发现人体对蜘蛛丝所含的蛋白质有任何排异反应，因而可以通过转基因技术制成伤口封闭材料和生理组织工程材料，如人工关节、韧带、人类使用的假肢、人造肌腱、组织修复、神经外科及眼科等手术的超细伤口缝线等产品，具有韧性好、可降解等特性。

①人造皮肤：蜘蛛丝纤维的通透性与天然皮肤非常接近，具有比较发达的伸展性，非常适合未来的人造皮肤的要求。

②人工肌腱：将磷酸等嵌入丝以后，丝纤维可以吸附到骨骼的晶体外层，而蜘蛛丝的高强度、良好的柔韧性以及可塑性，使其成为替代肌腱的理想材料。

③缝合线：蜘蛛丝用作缝合线可使手术更精细，修复更完整，术后通过一定的方法使其降解并被人体吸收，无须再进行一次痛苦的拆线。

④人体角膜：蜘蛛丝蛋白透明，可润湿，具有通透性，有可能利用它对人体角膜进行更换，以及利用其强弹性来调节眼睛，从而缓解或彻底解决近视对人类的困扰。

(5)建筑领域

可用做结构材料和复合材料，应用于桥梁、高层建筑和民用建筑等，起增强作用。可以代替混凝土中的钢筋，用于减轻建筑物自身的重量。

结论：

蜘蛛丝具有其它纤维无法比拟的性能特征,如同时具有高强度、可延伸性及生物可降解性等,这些特点使得蜘蛛丝在许多领域具有广阔的应用前景。

主要参考文献：

1.刘庆生等.蜘蛛丝的结构性能与研究现状.四川丝绸,2005,(2):16~18

2.邵敬党.蜘蛛丝的性能特征分析.棉纺织技术,2005,33(11):655~656

3.张慧勤等.蜘蛛丝的研究与应用.中原工学院学报,2005,16(4):48~50

4.陈瑶等.蜘蛛丝纤维的特性与开发生产.现代纺织技术,2006,(6):53~55

5.刘海洋等.蜘蛛丝研究开发进展.山东纺织科技,2005,(2):54~56

6.刘海洋等.蜘蛛丝研究与开发利用.产业用纺织品,2004,(4):7~9

7.翁蕾蕾.蜘蛛丝的合成和应用概述.上海纺织科技,2004,32(1):3~4

8.赵博.新一代高性能纤维—蜘蛛丝纤维.针织工业,2005,(1):30~32

9.张家明.超级纤维蜘蛛丝的研究进展.华南热带农业大学学

报,2005,11(4):30~36

10.刘让同等.蜘蛛丝与蚕丝结构性能比较.广西纺织科技,2008,37(2):32~37

新型纤维材料---蜘蛛丝

新型纤维材料——蜘蛛丝 蜘蛛是地球上最古老的物种之一，是自然界的神奇动物，经历了几百万年漫长的进化，蜘蛛已能够适应地球上几乎所有环境而生存下来，其最大的臂助正是本身独特的纺丝能力和令人惊讶的蛛丝性能。蜘蛛是自然界产丝和用丝的“专家”，它们一生都离不开丝。蜘蛛生产性能最优异的丝线，并用这种丝线织成蛛丝网，用以捕获猎物，赖以生存，繁衍后代。蜘蛛，属节肢动物门蛛形纲蛛形目，种类繁多，会吐丝结网的大约有2万多种，按吐出丝种类的多少分为古蛛亚目、原蛛亚目和新蛛亚目。 科学家们早就注意到蜘蛛丝非同一般的性能并将它利用了起来。早在1709年就出现了人类利用蜘蛛丝的记载，而且在第二次世界大战时，蜘蛛丝曾被广泛用作显微镜、望远镜、枪炮的瞄准系统等光学装置的十字准线。进入20世纪80年代,蜘蛛丝，尤其是牵引丝，以高强度、高弹性、高断裂功、低密度、良好的耐温及耐紫外线性能、良好的生物相容性等优异性能引起了各国材料、生物和化学等众多领域研究人员的极大兴趣。科技的进步，亦使得破解蜘蛛丝的生物奥秘成为了可能。1996年，美国Science杂志连载3篇文章，揭示了蜘蛛丝性质与结构的关系以及蜘蛛丝的奥秘，近几年，又连续发表了10多篇关于蜘蛛丝研究的文章。美国、瑞士、加拿大、日本、德国、丹麦等国的一些实验室先后对蜘蛛丝做了深入的研究,在利用基因和蛋白质测定技术解开蜘蛛丝奥妙的同时,在蜘蛛丝人工生产方面也取得了突破性进展。 蜘蛛丝的结构性能与用途 蜘蛛丝能大量吸收动能，同时具有高弹性形变，究其原因，在于其奇妙的分子结构。蜘蛛丝的化学本质为蛋白质，蛛丝蛋白的复杂氨基酸序列和空间结构赋予了外显的性能。蜘蛛丝中分子排列是一种介于晶区与非晶区的中间相的存在。结晶区主要为聚丙氨酸链段，构象为β- 折叠链，分子链或链段沿着纤维轴线的方向呈反平行排列，相互间以氢键结合，形成折曲的栅片，栅片间距离是变化的，在0.93～1.57nm之间。非结晶区由甘氨酸、丙氨酸以外的大侧基氨基酸组成，分子多呈α- 螺旋状结构。由丙氨酸组成的β-折叠（硬段）和富含脯氨酸的α－螺旋（软段），及其紧密堆砌的二级结构使之成为一种半结晶状态的分子弹簧结构，从而赋予蛛丝很好的抗张强度和韧性。蜘蛛拖丝抗拉力5×109Pa，断裂伸长率35％～50％，能大量吸收物体的高动能，其优越性能是包括蚕丝在内的天然纤维和合成纤维不能比拟的。 蜘蛛丝有良好的耐高温、低温性能。据报导,蜘蛛丝在300℃以上才变黄，开始分解；在零下40 ℃时仍有弹性,只有在更低的温度下才变硬。在需要高温、低温使用的场合下蛛丝纤维的优点特别显著。 蜘蛛丝的主要成分是蛋白质，目前尚未发现人体对蜘蛛丝所含的蛋白质有任何排异反应,另外蛛丝蛋白具有自装配行为，在器官移植和组织修复时可用来介导细胞和组织，或者它们相互之间的连接，以促进器官组织的复原。 由于蜘蛛丝本身的特性,决定了在纺织、医疗、军事等领域有着广泛的应用。 医疗卫生 蜘蛛丝主要成分是蛋白质，人们目前尚未发现人体对蜘蛛丝所含的蛋白质有任何排异反应,这正是蜘蛛丝应用在医学上最大的优点。又鉴于蜘蛛丝极轻、韧性好、强度大等现有材料不可比拟的优点,科学家认为用它可以生产人工关节韧带、人工肌腱、人造血管等组织，同时还可以做组织修复、用于眼外科和神经外科手术等特细和超特细生物可降解的外科手术缝合线及生物大分子的固定材料。 蜘蛛丝膜具有很好的透明性、生物可降解性和水－空气界面的通透性。与胶原蛋白和弹性蛋白相似，丝蛋白具有自装配性质，通过二级结构调节以提供机械支撑；与聚酯比较，丝的柔韧性和弹性使其经的起重压和疲劳。丝蛋白生物相容性好，与胶原起同样的细胞黏附、

超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展

超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展 第1期50 2011年3月 纤维复合材料 FIBERCoMPoSITES Nl Mar.,2011 超高分子量聚乙烯纤维的技术与市场发展 赵刚,赵莉,谢雄军 (中国航天第三研究院,北京100074) 摘要本文简要介绍了世界高性能纤维主要品种——超高分子量聚乙烯纤维的基本性能和主要应用领域,重点 归纳了十几年来国内外相关企业的生产,技术和行业发展状况,综合分析了国内外超高分子量聚乙烯纤维及其复 合材料市场的供需趋势,指出了该种纤维行业具有良好的产业发展优势与前景. 关键词高性能纤维;超高分子量聚乙烯纤维(UHMW—PE纤维,HS—HMPE纤维);复合材料市场 UltraHighMolecularWeightPolyethyleneFiberMaterial TechnologyandMarketDevelopmentProspect ZHAOGang,ZHAOLi,XIEXiongjun (TheThirdResearchAcademyofChinaAerospace,Beijing100074) ABSTRACTThissummarydescribeshighperformancefiber_一ultrahighmolecularweightpolyethylene(UHMW— PE)fiberintheword,anditsbasicperformanceandmainapplicationarea,focusrelatedenterp riseofproduction,technolo? gYandindustrydevelopmentstatus,analysisthemarketofthesupplyanddemandtrendsofthe fiberanditscomposites,

新型纺织材料

新型纺织材料 纺织材料分化纤纺织材料和天然纺织材料。 一、新型化纤纺织材料 1．天丝纤维：它是采用天然木浆，将木浆溶解在氧化铵溶剂中直接纺丝，完全在物理作用下完成的。氧化铵溶剂可循环使用，回收率达99％以上，无毒、无污染，是一种新型纤维素溶剂。天丝纤维除具有天然纤维和粘胶纤维的性能外，还具有强力高，悬垂性好等特点。通过纯纺、混纺、交织的产品具有质感高雅、透气透湿、光泽柔和的风格，被广泛用作高级时装面料。由于其在生产过程中无毒性物质排放，天丝产品使用后可生化溶解，不会对环境造成污染，故有“绿色”纤维之称。 2．海岛纤维：海岛纤维属超细旦家族一员。海岛型丝是利用复合纺丝技术生产出的超细或超极细纤维，用海岛型超细纤维和高收缩原丝复合成的纤维，由于其表面的超细纤维效应被最大化，可以更好地表现人造皮革的效果。用海岛丝生产的魔皮绒柔软度高、弹性好、抗菌防霉、透气性强，是一种抗皱性能优良的防真皮面料，适用于男女上衣、风衣、马夹、女裙等服装；同时可制作箱包、鞋、窗帘、沙发布、汽车套等；用麂皮绒做拭净布，可擦拭飞机、精密仪器、计算机、玻璃制品等。 3．莫代尔纤维：莫代尔纤维是由毛樟木浆粕制成。浆粕的产生和纤维的生产是在对环境无污染的情况下进行的，是一种高强力、高

湿系数的纤维素纤维。其优点是将天然纤维的质感与人造纤维的实用性合二为一，具有棉的柔软、丝的光泽、麻的滑爽，而且吸水透气性都优于棉，同时可在传统的染整设备上进行加工。具有较高的上染率。制成的布料悬垂性、尺寸稳定性好，经多次水洗后仍能保持鲜艳色彩，主要作为高档时装面料。莫代尔纤维取之于大自然，而后又可通过自然界的生物降解回归大自然，充分体现了它绿色环保再生的特性。 4．醋酸纤维：主要原料是天然木浆粕，经萃取净化后的纤维素制成的，是一种半合成纤维。其特性既体现天然纤维的风格，又具有合成纤维的功能，尺寸稳定性好，具有蚕丝般的光泽、凉爽感和悬垂性。同时它和其他纤维具有良好的柔和性，可与天然纤维、合成纤维进行混纺、交织，产生出变化多样的面料，如醋酸／涤、醋酸／粘、醋酸／棉、醋酸／绢丝的混纺织物。在女装市场上，醋酸纤维一向因其干爽、柔顺的触感，在流行成衣中占有一席之地，特别是在晚装设计上尤其出众。采用弹性纤维加上醋酸纤维制成的无缝胸罩，以简单的素面罩杯搭配外衣穿着成为一种时尚。醋酸纤维是属于一种符合消费者对纺织品严格要求的高级纤维。 5．大豆蛋白纤维：以往只能用作饲养和肥料的大豆豆粉，如今可以用来纺纱织布。被称为“人造羊绒”的大豆蛋白纤维，是目前唯一由我国自主开发并在国际上率先取得工业化试验成功的纤维材料。大豆蛋白纤维是从豆粕中提取植物蛋白质形成的纤维，属可再生性植物蛋白纤维。大豆蛋白纤维不仅具有单丝细度细、比重轻、强伸度高、耐酸耐碱性好等特点，而且具有羊绒般的手感和保暖性。大豆纤维纯

碳纤维综述

PAN 基碳纤维 摘要: 聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。 关键词：PAN 基碳纤维 碳纤维结构 PAN 基碳纤维制备 PAN 基碳纤维性能 PAN 基碳纤维应用前景 航天 军事 体育用品 1. 碳纤维结构 碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。 碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。 2. PAN 基碳纤维的制备 从原料丙烯晴到聚丙烯晴基碳纤维的制备过程中可以看出四个关键步骤：PAN 的聚合， 原丝的制备，原丝的预氧化以及预氧化丝的炭化和石墨化。 2.1 PAN 的聚合 由于PAN 分子结构的特性，纯聚体PAN 不适宜作为碳纤维前驱体。工业生产中，往往采用共聚PAN 来制备PAN 原丝。引入共聚单体可以起到如下作用：减少聚合物原液中凝胶的产生；增加聚合物的溶解性和可纺性；降低原丝环化温度及变宽放热峰。但也可能带来一些负作用：降低原丝的结构规整性和结晶度；增加大分子链结构的不均匀性；引入更多的无机和有机杂质等。 2.2 原丝的制备 PAN 在熔点（317°C ）以下就开始分解，因此形成纤维主要通过湿法或干湿法进行纺丝。 干湿法纺丝由于将挤出膨化与表皮凝固进行了隔离，纤维的成形机理有所改变，因此湿法纺丝凝固过程中皮层破裂或径向大孔及表皮褶皱等现象基本消失，干湿法纺丝的原丝表面及内单体引发剂 聚合 纺丝 原丝 预氧化 预氧丝 炭化 石墨化 表面处理 上浆 碳纤维 石墨纤维

高强高模聚乙烯纤维性能和用途.

高强高模聚乙烯纤维性能和用途 （一）性能介绍 UHMWPE纤维特殊的结构特征决定了它具有许多良好的优异的性能。一般而言,高强高模聚乙烯纤维本身具有三种形状:即单丝、复丝和带子,形状规格不同其物理性能差异较大。UHMWPE纤维具有很高的轴向比拉伸强度和模量，而且能量吸收性能比芳纶优越，并且也弥补了高性能的碳纤维、碳化硅纤维等断裂应变小的弱点。同时它还具有耐紫外线辐射、耐化学腐蚀、介电常数低、电磁波透射率高、摩擦系数低及突出的抗冲击、抗切割等优异性能。它是目前强度最高的纤维之一，比强度能达到优质钢的15 倍，模量也很高，仅次于特种碳纤维。断裂伸长率较其它特种纤维高，断裂功很大。 UHMWPE 纤维性能指标： 回潮无沸水收缩率＜1％，熔点135～145℃，导热率（沿纤维轴向）20w/m k ，热膨胀系数－12×106/k21，介电常数（22℃，10GHhz）2.25，介电强度900kv/cm 。 （1）优良的力学性能 高强高模聚乙烯纤维的密度为0.97g/cm3，只有芳香族聚酰胺纤维（芳纶）的2/3、高模碳纤维的1/2，而轴向拉伸性能很高。Spectra1000纤维的比拉伸强度时现是高性能纤维中最高的，比拉伸模量比高模量碳纤维低，但比芳香族聚酰胺纤维高得多。如果再考虑比重的话，它是一种非常独特的纤维，在保持良好性能同时，还能省重量。高强高模PE纤维的理论值可达320km,约为芳纶的二倍。由于复合材料的拉伸强度是由纤维控制的，因此高强高模聚乙烯纤维单向增强复合材料的纵向拉伸性能也很好。几种高性能纤维的性能比较表见表1—5。图1—12是各种纤维的应力—应变曲线，从图上可以看到，强度在2.734~3.5N/tex 范围内，高强高模聚乙烯纤维的断裂伸长率为3%~5%，相对于碳纤维、玻璃纤维和芳香族聚酰胺纤维来说，拉断该纤维所花费的能量是最大的。图1—13对几种纤维的比强度、比模量进行了比较。从图中可以看出，高强高模聚乙烯纤维的比强度、比模量明显高于其他纤维，在相同质量的材料中，强度最高。

《材料与社会》蜘蛛丝里有学问

4.5 蜘蛛丝里有学问 你听说过用一小束细丝就能把小型飞机吊起来的事吗?这种丝就是我们许多人都看见过的蜘蛛丝。 曾经有人做过试验，发现扯断蜘蛛丝所需的力，比扯断同样粗细的钢丝所需的力足足大上100倍。通过对蜘蛛丝研究，还发现蜘蛛丝在目前已知的所有的高强度纤维里，是最柔软的，重量也最轻。 蜘蛛丝是由蛋白质分子构成的，因此，它和人体有生物的亲和性，可被微生物所分解，也有一定的吸湿性能，用它做的防弹衣将是世界上最坚固而又最轻柔、最舒适的防弹衣了。 据英国《每日邮报》报道，坚韧如钢、交错如织的蛛网无疑是大自然的神奇造物，富有弹性的蛛网甚至能抵御飓风的侵袭。日前，美国的科学家们正试图揭示蛛网的奥秘，希望能将其用于未来的建筑设计或耐用材料的研发。 美国麻省理工学院的研究人员表示，蛛网的成功之处在于：即使有多根蛛丝断掉，蛛网也不会垮掉，甚至会变得更牢固。实验中，研究人员在蛛网各处去掉了总计10%的蛛丝，蛛网的韧性不单没因此而降低，却反而增强了10%。 研究人员发现，这种韧性不单是源自每根蛛丝在质地上的强度，也同时源自蛛丝的内部结构。蛛丝纤维能够根据所承受压力的不同而变化柔韧程度，这种特性是其他任何自然纤维或人造纤维所不具有的。科学家们已经证明，蛛丝的强度是等质量钢丝的5倍。实验表明，蛛网的韧性是其他网格的6倍有余。 工程师可以将蜘蛛丝的构造原理应用到其它方面。蜘蛛丝在受到破坏时只受很小的损坏、而不影响整个结构这一特性可以应用于设计虚拟网络，如互联网，在遭受攻击期间只有本地节点被破坏，而整个系统可继续运行。了解其微观的蛋白质结构和其宏观性质，可能有助于将碳纳米管串在一起，可能有一天会用于生产太空电梯。 蜘蛛丝具有广泛的用途：这是用蜘蛛丝做成小的提琴琴弦。 在医学领域，这种精细的蜘蛛丝是外科医生手术时是理想的缝合线，和医用尼龙线相比，这种蜘蛛丝既有尼龙线的灵活和结实，而且还有可以打结的优点。此外，它还可以用来制作人造肌腱或合成韧带。 由于蜘蛛丝的强度大，人们还可利用它制作降落伞绳，或航空母舰上帮助战斗机在甲板上降落的缆绳、高强度的轮胎帘子线和高强度渔网等。 既然蜘蛛丝有这么好的性能，有人会说我们也可以像养蚕宝宝那样来养殖蜘蛛，不就能得到好多蜘蛛丝了吗？事实上，这是不可能的，因为蜘蛛是一种同类相食的动物，如将众多的蜘蛛饲养在一个房舍里，它们会相互残杀吞噬。 能不通过蜘蛛来得到蜘蛛丝呢? 科学家们告诉我们，完全有这样的可能。 这有两个方面的工作，第一要得到蜘蛛丝的蛋白质，利用转基因技术，将蜘蛛的相关基因转移到细菌、植物体、哺乳动物的乳腺上皮或肾细胞中，进行表达，生成蜘蛛丝蛋白质，并进行提纯。 第二把这蛋白质纺成丝，这样就可得到人造蜘蛛丝了。

碳纤维的特性及应用

碳纤维的特性及应用 碳纤维是高级复合材料的增强材料，具有轻质、高强、高模、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等一系列优点，归纳如下： 一、轻质、高强度、高模量 碳纤维的密度是1.6-2.5g/cm3，碳纤维拉伸强度在2.2Gpa以上。因此，具有高的比强度和比模量，它比绝大多数金属的比强度高7倍以上，比模量为金属的5倍以上。由于这个优点，其复合材料可广泛应用于航空航天、汽车工业、运动器材等。 二、热膨胀系数小 绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数，室内为负数（-0.5～-1.6）×10-6/K，在200～400℃时为零，在小于1000℃时为1.5×10-6/K。由它制成的复合材料膨胀系数自然比较稳定，可作为标准衡器具。 三、导热性好 通常无机和有机材料的导热性均较差，但碳纤维的导热性接近于钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体材料。 四、耐化学腐蚀性好 从碳纤维的成分可以看出，它几乎是纯碳，而碳又是最稳定的元素之一。它除对强氧化酸以外，对酸、碱和有机化学药品都很稳定，可以制成各种各样的化学防腐制品。我国已从事这方面的应用研究，随着今后碳纤维的价格不断降低，其应用范围会越来越广。 五、耐磨性好 碳纤维与金属对磨时，很少磨损，用碳纤维来取代石棉制成高级的摩檫材料，已作为飞机和汽车的刹车片材料。 六、耐高温性能好 碳纤维在400℃以下性能非常稳定，甚至在1000℃时仍无太大变化。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性，树脂基复合材料其长期耐热性只达300℃左右，陶瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用于航空航天工业。 七、突出的阻尼与优良的透声纳 利用这二种特点可作为潜艇的结构材料，如潜艇的声纳导流罩等。 八、高X射线透射率 发挥此特点已经在医疗器材中得到应用。 九、疲劳强度高 碳纤维的结构稳定，制成的复合材料，经应力疲劳数百万次的循环试验后，其强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，而玻璃钢则只有20%-25%.因此设计制品所取的安全系数，碳纤维复合材料为最低。

我国高强高模聚酰亚胺纤维技术国际领先

我国高强高模聚酰亚胺纤维技术国际领先 2016.6 “年产30吨高强高模聚酰亚胺纤维制备技术及装备”项目通过科技成果鉴定 2016年6月25日，中国石油和化学工业联合会在北京组织召开了由北京化工大学和江苏先诺新材料科技有限公司共同完成的“年产30吨高强高模聚酰亚胺纤维制备技术及装备”项目科技成果鉴定会。 中国科学院院士周其凤，中国工程院院士陈祥宝以及行业专家组成的鉴定委员会对该项目进行了评定。鉴定委员会听取了项目完成单位的各项报告，审阅了相关材料，观摩了系列产品，经过质询和讨论，一致同意通过鉴定，该成果整体处于国际领先水平。 该成果创新性地设计出具有高强高模特点化学结构的聚酰亚胺纤维，实现了结构性能的调控。开发了高强高模聚酰亚胺纤维一体化纺丝工艺，提高了单体的可选择性、纤维结构和性能的可调控性，更加环境友好。自主设计研发成功高强高模聚酰亚胺纤维一体化制备工艺和成套设备，建成了国内外首条年产30吨规模高强高模聚酰亚胺纤维一体化生产线，并实现了小批量稳定化生产，具有自主知识产权。

该成果制备的聚酰亚胺纤维拉伸强度≥3.5GPa，模量≥150GPa，具有非常优异的综合性能，在轻质高强防弹、透波、压力容器、热防护等领域具有广阔的应用前景。 专家认为，该成果对我国自主高性能材料保障下游供给具有重要意义，并建议进一步加大投入，加强应用研究和推广，尽快实现规模化生产，进一步巩固我国在该领域的领跑地位。 目前，北京化工大学武德珍教授团队正在着手进行百吨级生产线的建设。 高强高模聚酰亚胺纤维简介

高强高模聚酰亚胺纤维由于含有特殊的酰亚胺环结构，能够同时具有非常优良的机械性能、耐高低温性能、自熄性能、耐辐射性能，以及优良的介电性能、耐腐蚀性能、生物相容性和低密度性，是综合性能最为优异的一款高性能有机纤维，在航空航天、国防军工、核工业、微电子等领域具有广阔的应用前景。但是，由于聚酰亚胺不溶不熔的特点，使高强高模聚酰亚胺纤维极难纺制。 （来源：中国化工报）

新型纤维综述

新型纤维综述 一、常规纺织纤维的类别和特征（举例） 1.植物纤维：棉、麻 棉：吸湿性好，穿着舒适，光泽较暗，手感柔软，风格朴实，耐用耐洗，物美价廉，易折皱，服装保形性欠佳，耐碱不耐酸。 麻：吸湿散湿性好，干爽利汗，风格粗犷，有光泽，粗硬，弹性差，易折皱。耐碱不耐酸。 2.动物纤维：羊毛、蚕丝 羊毛：吸湿性强，手感丰满柔软，光泽柔和莹润，因表面有鳞片具有独特的缩绒性，保暖性能好，干燥时抗皱弹性好，湿态易皱，易虫蛀，耐酸不耐碱。 蚕丝：吸湿透气，舒适性极佳，滑爽柔软，光泽优雅悦目，风格高雅华丽，变形时弹性好，悬垂性好，湿态易皱，不耐汗，耐光性差，多晒会泛黄变脆，耐酸强于耐碱。 3.人造纤维：粘胶 粘胶：吸湿性好，穿着舒适，光滑明亮，柔软，悬垂性好，易皱，水洗易变形，缩水严重，湿强低，耐碱不耐酸。 4.化学纤维：锦纶、涤纶、腈纶 锦纶：耐用性，弹性好 涤纶：洗可穿的佼佼者 腈纶：最不怕光的合成羊毛 共性：强度高，不易起皱，悬垂性好，服装保形性好，易洗快干，不缩水，不霉不蛀，热定型性能好，可形成稳定造型，吸湿性差，易产生静电，易起毛起球。 二、新型纤维的种类和特性（举例） 1.天然纤维：（竹纤维）植物纤维、（蜘蛛丝）动物纤维、（银纤维）金属纤维及其他 竹纤维：竹原纤维具有良好的透气性、瞬间吸水性、较强的耐磨性和良好的染色性等特性，具有天然抗菌、抑菌、除螨、防臭和抗紫外线功能。竹再生纤维素纤维不具抗菌功能。 用途：竹纤维纱线用于服装面料、凉席、床单、窗帘、围巾等，如采用与维纶混纺的方法可生产轻薄服装面料。与棉、毛、麻、绢及化学纤维进行混纺，用于机织或针织，生产各种规格的机织面料和针织面料。机织面料可用于制作窗帘、夹克衫、衬衫、床单和毛巾等。针织面料适宜制作内衣、汗衫、T恤衫、袜子等。竹原纤维含量30%以下的竹棉混纺纱线更适合于内裤、袜子，还可用于医疗护理用品。 蜘蛛丝：高强度，高弹性，高断裂功，低密度，有良好的耐温及耐紫外线性能，有良好的生物相容性，理化性质优，每根蜘蛛丝的抗拉强度是钢材的五倍，弹性也比人造纤维好，开发前景广阔。

1.高强高模天然纤维——蜘蛛丝要点

——蜘蛛丝 作者：凌正 摘要：蜘蛛丝是一种天然动物蛋白纤维,含有(GPGXX)n/(GPGQQ)n、An/(GA)n、(GGX)n等多种重复多肽序列,具有多样的分子结构、机械性能与生物生态学功能,同时还具有强度高、弹性好、初始模量大、断裂能大、可生物降解、生物相容性好、保湿性好、轻盈等其它合成高性能纤维所无法比拟的优良机械性能及特性。为此,本研究对蜘蛛丝的组成、结构、机械性能、纺丝机理、应用前景进行了概述，并且通过对蜘蛛丝的氨基酸组成及其丝纤维的表面形态结构和蜘蛛丝的分子构象与聚集态结构的分析研究，探索蜘蛛丝的组成与结构对其性能的影响，对于开发新型纤维材料具有重要启迪意义。 关键词：高强、高模、天然纤维、蜘蛛丝、结构、机械性能、应用前景。

正文： 前言 蜘蛛因具有许多天然纤维甚至高性能合成纤维无法比拟的优异力学性能，而成了国内外许多研究机构和学者关注的焦点，近年来，国外的学者在研究蜘蛛丝结构和性能的同时，借助于日益发展的生物技术，采用基因移植的方法研制了人工合成蜘蛛丝蛋白，并采用化学纤维纺丝的方法将其制成类蜘蛛丝，但由于性能上的缺陷、加工过程复杂、成本高等因素，仿蜘蛛丝尚未实现工业化生产。从材料科学的角度来看，纤维的性能取决于其大分子链结构和聚集态结构，探明纤维性能形成机理的根本在于：掌握其结构和性能间的本构关系。因此，要使蜘蛛丝的力学性能在人造生体高分子纤维上得到表达，研究其性能的结构机理和形成这种结构的方法原理是至关要的。本文以广泛分布于我国各地的大腹圆蛛为研究对象，在研究分析其三种主要的丝纤维——牵引丝、蛛网框丝、包卵丝的力学性能、色泽、密度与吸湿性以及热学性能的基础上，从以下几方面探索了蜘蛛丝优异力学性能的形成机理。研究了蜘蛛丝力学性能的分子基础分析大腹圆蛛丝纤维的氨基酸组成特征，并通过与其他种类蜘蛛丝及蚕丝丝素纤维的比较，研究蜘蛛丝的氨基酸组成对其分子结构和分子排列的影响。采用激光拉曼光谱和红外光谱技术，分析了不同功能蜘蛛丝的分子构象，探索了蜘蛛丝的氨基酸组成及分子结构和其力学性能间的关系。蜘蛛丝优异力学性能的结构机理及其模化摘要研究了蜘蛛丝力学性能与微观结构的关系采用x射线衍射技研究和分析了蜘蛛丝的结晶结构及其取向。通过对蜘蛛丝的物理、化学处利用扫描电镜观察和分析了蜘蛛丝的微观结构特征，发现了蜘蛛丝具有皮术理芯层结构和原纤化构造。分析了结晶度不足10%的蜘蛛丝具有高强度和高伸长的原因，研究了皮芯层结构对蜘蛛丝力学性能的影响以及不同功能蜘蛛丝应力一应变行为差异的形成原因。研究了成丝条件与蜘蛛丝分子结构及性能的关系在分析蜘蛛丝生物纺丝机制的基础上，研究了成丝过程中蜘蛛丝蛋白分子构象的变化规律，探索了成丝条件对蜘蛛丝分子结构的影响以及蜘蛛随着生存环境和成丝方式的不同对丝纤维性能的自动调控能力，并进一步分析了分子结构和蜘蛛丝力学性能间的关系。研究了皮芯层的比例和性能特征对蜘蛛丝纤维拉伸断裂模式的作用，并建立了理论方程。

蜘蛛丝

蜘蛛丝纤维之我见 高（101）张春娟 1008093006 摘要：蜘蛛丝是一种具有特殊品质的材料，迄今为止人类还无法生产出像它那样具有超强强度和弹性极强的化合物。人类一直梦想着利用蜘蛛丝的奇特性能来造福社会大众。 关键词：蜘蛛丝,性能,应用 节肢动物门(Arthropoda)蛛形纲(Arachnida)蜘蛛目(Araneida或Araneae)所有种的通称。除南极洲以外，全世界分布［1］。蜘蛛在整个生命过程中会产生许多不同的丝，它的柔韧性和弹性都很好，耐冲击力也很强。无论是在干燥状态或是潮湿状态下都有很好的性能，是一种目前已知弹性和强度最高的天然动物纤维。首先蜘蛛丝很细而强度却很高,它比人发还要细而强度比钢丝还要大。其次它的柔韧性和弹性都很好,耐冲击力强。无论是在干燥状态或是潮湿状态下都有很好的性能。蜘蛛丝网还有很好的耐低温性能。由于蜘蛛丝是由蛋白质构成,是生物可降解的,把这些优良的性能集中在同一种纤维上十分困难。人们开始考虑,如果能够用人工的方法大量而经济地生产这种纤维,必将对纤维和纺织业的发展产生 深远的影响。目前美国、加拿大、德国和英国等发达国家已投入大量的人力和物力进行研究,并已取得相当的进展,对蜘蛛丝的研究,已成为当今纤维界的热 门课题。 1 蜘蛛丝的形成原理及其性能 1.1 形成原理 在显微镜下，我们看到丝从蜘蛛的分泌出来，蜘蛛的腹腔里有许多丝浆，它的尾端有很小的孔眼。结网的时候，蜘蛛便将这些丝浆喷出去。丝浆一遇到空气，就凝结，且富有粘性和惊人的强度。每根蜘蛛丝的抗拉强度是钢材的2倍，弹性也比人造纤维好得多。比如，蜘蛛网可以延伸到原长的10倍，而尼龙一旦延展到原长的20％就会发生断裂无论什么飞虫，一撞到网上就别想再跑掉。而蜘蛛的身上和脚上经常分泌出一层油质，粘丝是不粘油的。但是，一般飞虫是没有这层油质的，所以，蜘蛛网能牢牢地粘住飞虫却粘不住蜘蛛［2］。

聚丙烯腈基碳纤维及其增强复合材料_柴晓燕

2011年第7期广东化工 第38卷总第219期https://www.sodocs.net/doc/7311331121.html, · 293 · 聚丙烯腈基碳纤维及其增强复合材料 柴晓燕，朱才镇，刘剑洪 (深圳大学化学与化工学院，广东深圳 518060) [摘要]聚丙烯腈(PAN)基碳纤维作为一种高比强度和高比模量的增强型与功能型高性能纤维材料，在航空航天、国防军工及文体用品等方面都有广泛的应用。文章主要介绍了聚丙烯腈基碳纤维的制备、结构与性能及其在复合材料中的应用。 [关键词]碳纤维；增强；复合材料 [中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2011)07-0293-03 PAN-based Carbon Fibers And Reinforce Composite Materials Chai Xiaoyan, Zhu Caizhen, Liu Jianhong (College of Chemistry and Chemical Engineering, ShenZhen University, Shenzhen 518060, China) Abstract: Polyacrylonitrile carbon fibers were widely used in many fields, such as aerospace, strategical missile, sports and leisure industries, because of which are the most crucial and imperative part of the reinforce of the composition. The paper mainly introduces the production, structure and property of PAN-based carbon fiber, and the applications in the composite materials. Keywords: carbon fibers；reinforce；composite material 碳纤维是由有机纤维经过一系列的热处理转化而成的含碳量在90 %以上的脆性材料，是一种纤维状的碳材料。作为一种新型材料，碳纤维具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温和低温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、热膨胀系数小等一系列的优异性能,结构独特，集众多优异性能于一身，它既可以作为结构材料的增强基承载负荷，又可作为功能材料[1]。由于碳纤维的强度比钢大,相对密度比铝还轻，并且具有上述电学、热学和力学性能，在现代科学技术、现代工业和现代国防的发展中起着重要作用。随着碳纤维产量的提高，碳纤维市场的扩大，价格不断降低，民用应用领域不断扩大。目前碳纤维已经渗透到高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、钓鱼竿、游艇、赛艇、汽车构件、火车零件、石油、化工等多个领域，被誉为21世纪最有生命力的新型材料[2]。 碳纤维起源于19世纪60年代，而工业化则起步于20世纪50~60年代，是应宇航工业对耐烧蚀和轻质高强材料的迫切需求而发展起来的。l9世纪末，爱迪生首先用碳丝制作了白炽灯的灯丝，1959年，日本大阪工业试验所的近藤昭男发明了利用聚丙烯腈(PAN)纤维制造碳纤维的新方法，这一工艺很快受到重视，并实现了通用型PAN基碳纤维的工业化生产。而英国在此基础上开发了高性能的PAN基碳纤维的生产技术，处于了领先地位。20世纪70年代后，由于美国航天工业的高速发展，极大地促进了聚丙烯腈基碳纤维的发展[2]。 目前工业生产中主要采用聚丙烯腈(PAN)纤维、沥青纤维和粘胶纤维为原丝来生产碳纤维[3]。其中粘胶基和沥青基碳纤维用途较单一，产量也较为有限，而聚丙烯腈基碳纤维生产工艺简单，产品力学及高温性能优异，具有良好的结构和功能特性，因而发展较快，成为高性能碳纤维发展和应用的最主要和占绝对地位的品种，主要用于高性能结构及功能复合材料，在航天,航空、兵器、船舶等国防领域具有不可替代的作用。 1 PAN基碳纤维 1.1 PAN基碳纤维的制备工艺 PAN基碳纤维的制备包括PAN原丝的纺丝、预氧化和碳化三大工艺过程。优质的PAN原丝是制造高性能碳纤维的首要条件。原丝纺丝工艺有湿法、干法、干湿法和熔融法等[3-5]，其中干湿法和熔融法是新的发展趋势，而湿法工艺则相对较为成熟。湿法成形的纤维纤度变化小、残留溶剂少，而且容易控制原丝质量，因而湿法纺丝仍是目前广泛应用的纺丝工艺。PAN基碳纤维的制备工艺流程如图1所示。 PAN原丝的预氧化，又称热稳定化，一般在180~300 ℃的空气气氛中进行。因为当温度低于180 ℃时反应速度很慢，耗时太长，生产效率过低；然而，当温度高于300 ℃时将发生剧烈的集中放热反应，导致纤维熔融断丝。在预氧化过程中要对纤维施加适当牵伸以抑制收缩、维持大分子链对纤维轴向的取向。预氧化的目的是使热塑性PAN线形大分子链转化为非塑性的耐热梯形结构，从而使纤维在碳化高温下不熔不燃，继续保持纤维形态[7-9]。预氧化方法包括恒温预氧化、连续升温预氧化和梯度升温预氧化。其中，前两种预氧化方法效率较低，目前主要用于实验室研究，而梯度升温预氧化则是当前工业化生产所普遍采用的。预氧化温度及其分布梯度、预氧化时间、张力牵伸等是影响预氧化过程的主要工艺参数。恰当的预氧化工艺可以在较短的时间内使纤维得到稳定化，为后期碳化提供均质的预氧丝；而不恰当的预氧化工艺则会造成原丝热稳定化的过度或不足，在高温碳化过程中纤维可能发生熔断或形成较多结构缺陷，严重影响最终碳纤维的性能。预氧化过程在整个碳纤维制备流程中耗时最长，预氧化时间一般为60~120 min，碳化时间为几分钟到十几分钟，而石墨化时间则以秒计算。可见，预氧化过程是决定碳纤维生产效率的主要环节。 碳化过程一般包括低温碳化和高温碳化两个阶段，低温碳化的温度一般为300~1000 ℃，高温碳化的温度为1100~1600 ℃。碳化时需要采用高纯度氮气作为保护气体。在碳化过程中，较小的梯形结构单元进一步进行缩聚，且伴随热解，向乱层石墨结构转化的同时，释放出许多小分子副产物。非碳元素O、N、H 逐步被脱除，C元素逐步富集，最终生成含碳量在90 %以上的碳纤维。 图1 PAN基碳纤维的制备工艺流程[6] Fig.1 The production of PAN-based carbon fiber 1.2 聚丙烯腈基碳纤维的结构 丙烯腈(AN)在一定的聚合条件下双键被打开，生成大分子链，同时放出反应热。氰基中的氮原子电负性大于碳原子，使氰基中的碳原子与氮原子间的电子云偏向氮原子，氮原子呈负电性，碳原子呈正电性。与氰基相连的主链上的碳原子与氰基中碳原子之间的电子云由于诱导作用的影响，偏向氰基碳原子，所以形成了很强的偶极矩。同一条聚丙烯腈大分子链上的氰基极性相同，互相排斥，呈现出僵硬的刚性，按照一定角度排列形成了对称的圆棒体，如图2所示。圆棒体的直径约为0.6 nm，长度约为10~100 nm。几根至几十根圆棒平行排列形成了有序的结晶区，而杂乱堆砌的大分子链则形成非晶区，即无定形区如图3所示。 聚丙烯腈原丝的预氧化过程从无定形区开始，逐渐发展到结晶区。纤维在预氧化初期是半融状态，丝束结构消失后呈块状的堆垛结构；预氧化中期，块状堆垛结构由束状向片状发散排列结构转变，并且在预氧化的后期趋于稳定。碳纤维是由片状石墨微晶沿纤维轴向方向堆砌而成的所谓“乱层”结构，通常也把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成，其中孔洞的含量、 [收稿日期] 2011-06-10 [作者简介] 柴晓燕(1985-)，女，浙江人，硕士，助教，主要研究方向为碳纤维的结构与性能。

高强高膜聚乙烯纤维

高强高膜聚乙烯纤维的性能及其应用 摘要：高强高模聚乙烯纤维是新兴的高分子纤维，与碳纤维、芳伦并列为三大高性能纤维，其性能优异，已在广泛应用于各个领域。对此，本文对该纤维进行介绍，了高强聚乙烯纤维的性能及其应用发展。 1 高强高膜聚氯乙烯纤维的定义 高强高模聚乙烯纤维(也称为超高分子量聚乙烯纤维，英文Ultr a High Molecular Weight Polyeth ylen e Fiber，简称UHMWPE)，是上世纪80年代初研制成功的高性能有机纤维，它是当今世界三大高科技纤维（碳纤维、芳伦、高强高模聚乙烯纤维）之一，是一种具有高度取向直链结构的纤维。 2.高强高膜聚乙烯纤维生产工艺方法 UHMWPE 纤维的生产采用凝胶纺丝(又称冻胶纺丝) 方法进行。现有的生产工艺可以分为两大类, 一类以DSM 和东洋纺为代表的干法纺丝法,另一类以Hon eywell 为代表的湿法纺丝法。两者的主要区别是采用了不同的溶剂和后续工艺。DSM工艺采用十氢萘溶剂。十氢萘易挥发,可以采用干法纺丝, 省去了其后的萃取工段; Hon ey well 采用石蜡油溶剂,需要后续的萃取工段,用第2溶剂( 萃取剂) 将第1溶剂萃取出来。Hon ey well 等公司采用的石蜡油( par affin oil) , 又称矿物油( min er al oil) 或者白油( whit e oil)。一般为沸点高于350的烃类混合物。国内现有的生产厂家大多数都采用石蜡油为溶剂的湿法纺丝工艺。 3. 高强高膜聚乙烯纤维的性能 超高分子聚乙烯纤维具有高取向度，高结晶度，微纤沿拉伸方向排列规整度高，使用电子显微镜还能够观察到“串晶”结构。这些结构赋予其良好的机械性能: 沿纤维轴向方向，纤维具有很高的耐拉伸性，比强度，比模量都较高; 即使在很低的温度下，该纤维仍能够保持柔软，有研究表明，即使在－ 150℃的条件下，纤维也无脆化点。

新型仿生材1

新型仿生材料 1.引言 仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。 在自然界，通过二氧化碳、水和阳光周而复始地合天然材料，这些天然材料具有优良的性能，废弃物可以靠微生物降解，参加自然界生态大循环；同时生物界奇妙的遗传技术将材料的特性一代一代地传递下去。因此，如何运用生物技术来合成高分子材料得到广大科学工作者的关注，他们不断致力于该领域的研究，并且取得了重大的进展。世界最大的合成纤维制造商美国杜邦公司已经将发展重点转移到生物科技上，推出了三道曙光计划，并称生物科技将巩固杜邦公司作为世界领先科学公司的地位。杜邦公司经过在这一领域20年的不懈努力，发现采用生物科技合成高分子材料比传统方法更安全、更环保，成本也更低廉。本文主要介绍蜘蛛丝、聚乳酸纤维以及生物医用材料的研究情况。 （一） 蜘蛛丝的研究数百万年来，蜘蛛制造着最细的丝。这种蛋白质蜘蛛丝是人们所知道的强度最高的纤维，并且具有优异的弹性，其特性很像高强度合成纤维芳纶1414和弹性纤维氨纶。就强度而论，蜘蛛丝甚至优于高性能的Kevlar 纤维，虽然两种纤维都有类似的高强度水平，但Kevlar纤维在断裂之前仅能延伸其原长的4%，而蜘蛛丝的断裂伸长可达30%。蜘蛛丝的特殊品质引起了科学工作者的兴趣。 美国杜邦公司在该领域进行了多年的研究。他们提出获得这种新结构材料的基础是要有能力从分子层面开始控制材料构架的所有方面，切实可行的方法是重组DNA技术，即使用生物合成过程的能量来控制聚合的顺序和链的长度。他们收集所有数据，通过计算机模拟技术设计出一种分子模型，并将迄今所得到的有关这种纤维的结构信息全部集成进去，他们还设计了合成基因为这种丝蛋白的复制品编码。这些基因被植入酵母和细菌，蛋白质的复制品由此产生。他们采用的方法是把细菌打开，分离出蛋白质微滴，并把它作为起始材料。而在采用酵母的过程中，可以设计基因系统，使酵母能在其体外生成蛋白质。不管采用哪种方法，细菌和酵母都制出了类似的蛋白质，其结构等同于蜘蛛用来拉出网丝的蛋白质，蜘蛛是将这种蛋白质溶解在一种水基溶剂中，然后一步到位地将它纺成坚固的纤维。研究人员把这种蛋白质溶解于一种化学溶剂中，溶液通过湿法成型由小孔挤出，纺出了坚固的纤维。

新型纤维的种类及特点

新型纤维的种类及特点 当今社会飞速发展和科学技术的进步，以及人们生活水平的提高和社会物质的不断丰富，人们从单纯的追求外观、审美要求向穿着舒适性转化，原来的普通合成纤维已经不适应人们穿着舒适的要求。因此，新型合成纤维应运而生并蓬勃发展。 目前处在信息纺织、新原料纺织时代，新原料从质量、品种、功能、性能等方面开发新品引导潮流。根据服装面料要求舒适、健康、安全的总体趋势，关注服装面料的创新开发，要从研究新纤维的应用开始。目前，服装面料的织物纤维品种已不局限于棉、麻、丝及人棉纤维，开发出很多纺织新材料，有高湿模量的莫代尔和丽赛纤维、天丝、竹纤维、大豆蛋白纤维、聚乳酸（玉米）纤维、超细纤维、PTT纤维、吸湿排汗纤维和保暖纤维等。 一、莫代尔纤维 莫代尔纤维是高湿模量的纤维素再生纤维，原料采用欧洲的榉木，先将其制成木浆，再纺丝加工成纤维。因该产品原料全部为天然材料，是100%的天然纤维，对人体无害，并能够自然分解，对环境无害。柔软、顺滑、有丝质感和真丝一般的光泽，穿着舒适，频繁水洗后依然柔顺，有极好的吸湿性和透气性，富有亮丽的色彩。由于其杰出的透气性和易打理的特性，在女士外套，内衣，运动服装和家用纺织品中的应用越来越广泛。 二、丽赛纤维 丽赛纤维被业界称之为“植物羊绒”，是具有优异综合性能的植物纤维素纤维。由日本东洋纺专有技术及原料体系生产，它的生产原料来源于日本进口的天然针叶树精制专用木浆。在纺丝过程中，因为纺丝溶液粘度高，含酸量低，牵伸速度、固化速度慢，所以纤维分子是从内向外固化，分子内部结构整齐，取向度、结晶度高。 该纤维从根本上克服了粘胶纤维的缺点，秉承了该系列纤维的所有优点，实现了其它高湿模量纤维素纤维所不能突破的优良性能；具有较强的耐碱性，与棉混纺时，可做丝光整理，使混纺织物更具有特色；该纤维具有很高的湿强度，其优越的高湿模量使生产与服用更理想；该纤维良好的千伸与湿伸性能，便所有的织物具有良好的尺寸稳定性；光滑的圆形横截面和全芯结构使纤维光泽好，极富弹性，悬垂性和滑爽感；高吸湿度和千燥度，使该纤维的织物具有良好的舒适感和身体亲和性，是一种全新的绿色亲肤纤维；该纤维属于天然植物纤维，其废弃物可自然降解，安全环保。 三、天丝 天丝是一种纤维素纤维，采用溶剂纺丝技术，干强略低于涤纶，但明显高于一般的粘胶纤维，湿强比粘胶有明显的改善，具有非常高的刚性，良好的水洗尺寸稳定性（缩水率仅为2%），具有较高的吸湿性，纤维横截面为圆形或椭圆形，光泽优美，手感柔软，悬垂性好，飘逸性好。 天丝兼具普通型粘胶纤维优良的吸湿性、柔滑飘逸性、舒适性等优点外，克服了普通粘胶纤维强力低，尤其是湿强低的缺陷，它的强力几乎与涤纶相近。天

高强高模聚乙烯醇纤维说明

兰州宏颖新材料开发公司 高强高模聚乙烯醇纤维说明 高强高模聚乙烯醇纤维简称（高强高模PV A纤维）是一种具有高抗拉强度、高杨氏模量、高耐碱性的合成纤维，该纤维是密度大、直径小，许多性能都优于其它合成纤维，同时对水泥、石膏等基材具有极强的亲和力。 一高强高模聚乙烯醇纤维的技术指标 项目指标 纤维直径(dtex) 2.0±2 （12±2μm） 抗拉强度(cn/dtex) ≧ 11 (1428MPa) 杨氏模量（cn/dtex）≧ 290 (37.9GPa) 断裂伸度（%） 6～8 密度（g/cm3） 1.3 耐热水性（o C）≧ 104 干热软化点（o C）≧ 216 二不同有机纤维的物理力学性能

三高强高模聚乙烯醇纤维应用 我们只需要在水泥、石膏等基材中均匀加入0.3%～0.5%的高强高模聚乙烯醇纤维及少量的高分子聚合物，我们就可以有效的改变水泥、石膏等基材的脆性、消除这些基材在水化过程中产生的裂纹。由于纤维的存在既消耗了能量又缓解了应力，阻止裂纹进一步发展，起到了阻断裂缝的作用，所以在水泥、石膏制品内掺入少量高强高模聚乙烯醇纤维，可以达到： 1 、提高基体的抗拉强度。 2 、阻止基体原有缺陷裂缝的扩展，并延缓新裂缝的出现，提高耐水性、抗渗性、抗冻性。 3 、提高基体的变形能力，从而改善其韧性和抗冲击能力。 四、应用领域： 1、大体积砂浆/混凝土浇筑 2、工业及民用建筑的屋顶处理，地下室防水，内外墙薄抹灰砂浆 3 、粉体建材、抗裂砂浆、保温砂浆、粉刷石膏、粉刷腻子、嵌缝腻子 4 、道路、桥梁、高速公路的路面及护栏 5 、水坝、水池、停车场、飞机跑道及停机坪等混凝土浇筑。 6 、隧道、矿井、地铁、边坡面等喷射混凝土 7、沿海滩涂、堤坝、盐碱地带、化工腐蚀场地。 8、混凝土构件、欧式构件、城市艺术雕塑、预应力砼管、板材

仿生材料

源于自然的力量——仿生材料 一、神奇的大自然——仿生学 自然界的创造力总是令人惊奇，天然生物材料经历几十亿年进化，大都具有最合理、最优化的宏观、细观、微观复合完美的结构，并具有自适应性和自愈合能力，如竹、木、骨骼和贝壳等。其组成简单，通过复杂结构的精细组合，从而具有许多独有的特点和最佳的综合性能。 例如，荷叶的表面有许多微小的乳突，让水不能在上面停留，滴形成后会从荷叶上滚落，同时将灰尘带走；海洋生物乌贼和斑马鱼体内的色素细胞决定了它们天生有一种改变自身颜色的能力；水稻表面突起沿平行于叶边缘的方向排列有序，使得排水十分便利；昆虫复眼的减反射功能，使得黑夜观看成为可能；水黾腿部有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛使其在水面行走自如；壁虎由壁虎脚底大量的细毛与物体表面分子间产生的“范德华力”累积使其有了特殊的粘附力…… 道法自然，向自然界学习，采用仿生学原理，设计、合成并制备新型仿生材料，是近年快速崛起和发展的研究领域，并已成为材料、化学、物理、生物、纳米技术、制造技术及信息技术等多学科交叉的前沿方向之一。 仿生学是模仿生物的科学，早在1960年9月13日美国召开第一次仿生学会上由Steele等提出。仿生学研究生物系统的结构、性质、原理、行为及相互作用，为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成；仿生材料指依据仿生学原理、模仿生物各种特点或特性而制备的材料；材料仿生设计包括材料结构仿生、功能仿生和系统仿生 3个方面。 二、了解仿生材料 仿生材料的定义 仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学(biomimetic materials science),它是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系,进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科,是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。地球上所有生物体都是由无机和有机材料组合而成。由糖、蛋白质、矿物质、水等基本元素有机组合在一起,形成了具有特定功能的生物复合材料。仿生设计不仅要模拟生物对象的结构,更要模拟其功能。将材料科学、生命科学、仿生学相结合,对于推动材料科学的发展具有重大意义。自然进化使得生物材料具有最合理、最优化的宏观、细观、微观结构,并且具有自适应性和自愈合能力，在比强度、比刚度与韧性等综合性能上都是最佳的。 仿生材料的研究 国际上对天然生物材料及仿生材料研究的重视始于20世纪80年代。目前,国