光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料及其制备方法

本发明涉及生物纤维材料和刺激响应材料，主要涉及一种光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料及其制备方法。

背景技术：

1、如何将相互排斥的力学性质结合于同一种材料中是材料学中长期存在的挑战之一，比如，材料通常难以同时具备高强度和高韧性两种力学性能。为了得到高强度高韧性的材料，发展了两种策略，分别是内在型材料设计机制和外在型材料设计机制。相比较于外在型材料设计机制，内在型材料设计机制能有效避免材料在使用过程中发生断裂，具备一定的优势。

2、采用内在型材料设计机制制备的材料，能够在材料发生断裂之前通过增强塑性形变来提高材料的强度和韧性。在以多糖类生物分子为基础的强力生物材料设计中，内在型材料设计机制得到了广泛应用，该类材料通过增强链间氢键、交联蛋白分子和掺杂无机纳米粒子等方式有效增强了多糖类材料的强度和韧性。迄今为止，通过使用功能性有机分子作为糖链交联点以制备刺激响应型高强度高韧性纤维材料的策略还少有报道。

3、偶氮苯分子是常用的光敏功能分子之一，其能够对光照刺激做出快速响应。具体来说，紫外光照射能够驱动偶氮苯由平面的反式结构转变为非平面的顺式结构，而可见光照射则驱动偶氮苯由顺式结构恢复为反式结构。在分子聚集状态下，平面的反式偶氮苯之间能够形成较强的π-π作用力，非平面顺式结构的形成则会破坏这种作用力，因此，反式-顺式的结构转变能有效改变偶氮苯分子之间的作用力，即偶氮苯之间的作用力大小可以通过光照进行有效调控。如能设计一种可以与多糖类生物分子高效结合的偶氮苯分子，则可以将其应用为生物纤维材料中的交联点。该种偶氮苯类交联点，以平面反式结构存在时可以有效提高纤维材料的强度和韧性，而以非平面顺式结构存在时则能降低纤维材料的强度和韧性，借助于此种工作方式，可以实现高强度高韧性纤维材料的光调控。然而，到目前为止，以偶氮苯作为交联点的生物纤维材料还鲜有报道。发展以偶氮苯为基础的光控生物纤维材料，对于扩展偶氮苯类材料和刺激响应型生物纤维材料在基础科研和相关技术领域的应用有着重要意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料及其制备方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明提供一种光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料，其制备原料包括海藻酸钠和双链型偶氮苯表面活性剂。

4、在本发明中，所述海藻酸钠为分子式为(c6h7o6na)n的多糖聚合物的混合物。

5、在本发明中，所述双链型偶氮苯表面活性剂为n,n-二甲基-n-(4-(4-((4-正辛氧基苯基)二氮烯基)苯氧基)正丁基)-3,6,9,12-四氧杂十三烷基溴化铵。

6、在本发明中，所述光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料的制备方法，包括：

7、将海藻酸钠的水溶液与双链型偶氮苯表面活性剂的水溶液在室温条件下混合，将所得混合液以s形移动方式注射入氯化钙的水溶液中，将生成的纤维材料在氯化钙的水溶液中静置5分钟后收集取出，将取出的湿纤维材料进行应变为110％的拉伸，最后将拉伸后的湿纤维材料在室温且相对湿度为50％以下的条件下进行干燥，制得光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料。

8、在本发明中，所述光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料的制备方法中，所述海藻酸钠的水溶液以海藻酸钠重复单糖单元为c6h7o6na计，所述海藻酸钠的水溶液的浓度为20～30mmol/l，所述双链型偶氮苯表面活性剂的水溶液的浓度为10～15mmol/l，所述氯化钙的水溶液中氯化钙的质量浓度为0.6％。

9、在本发明中，所述光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料的制备方法中，所述所得混合液中，所述海藻酸钠以海藻酸钠重复单糖单元为c6h7o6na计，所述海藻酸钠与双链型偶氮苯表面活性剂的摩尔比20:1。

10、在本发明中，所述光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料的制备方法中，所述将所得混合液以s形移动方式注射入氯化钙的水溶液中的速率为0.1～0.5ml/s，所述将拉伸后的湿纤维材料在室温且相对湿度为50％以下的条件下进行干燥的时间为20～30分钟。

11、在本发明中，制备得到光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料后，还包括所述光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料在室温条件下通过光照调控力学性能的过程。

12、在本发明中，所述光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料在室温条件下通过光照调控力学性能的过程包括：紫外光照射，诱导所述光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料的强度和韧性减弱到初始值的50％以下；可见光照射，诱导所述光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料的强度和韧性恢复到初始水平。

13、在本发明中，所述光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料在室温条件下通过光照调控力学性能的过程中：所述紫外光照射的条件为波长365nm，强度30mw/cm2，时间5分钟；所述可见光照射的条件为波长520nm，强度90mw/cm2，时间5分钟。

14、本发明提供了一种光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料及其制备方法，所述光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料及其制备方法具有如下特点：

15、1、本发明所得光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料，是以双链型偶氮苯表面活性剂和钙离子为交联点的海藻酸钠纤维材料。

16、2、本发明所得光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料，同时具备高强度和高韧性，所述光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料的平均拉伸强度和韧性可达732mpa和112mj/m3。

17、3、本发明所得光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料，能够通过光照刺激快速高效地改变力学强度和韧性性能。

18、4、本发明所得光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料，能够在ph为1～14范围内保持高强度。

19、5、本发明所得光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料，能够在-196～100℃范围内保持高强度。

技术特征：

1.光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料，其特征在于，其制备原料包括海藻酸钠和双链型偶氮苯表面活性剂，所述海藻酸钠为分子式为(c6h7o6na)n的多糖聚合物的混合物，所述双链型偶氮苯表面活性剂为n,n-二甲基-n-(4-(4-((4-正辛氧基苯基)二氮烯基)苯氧基)正丁基)-3,6,9,12-四氧杂十三烷基溴化铵。

2.根据权利要求1所述光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料的制备方法，其特征在于，包括：将海藻酸钠的水溶液与双链型偶氮苯表面活性剂的水溶液在室温条件下混合，将所得混合液以s形移动方式注射入氯化钙的水溶液中，将生成的纤维材料在氯化钙的水溶液中静置5分钟后收集取出，将取出的湿纤维材料进行应变为110％的拉伸，最后将拉伸后的湿纤维材料在室温且相对湿度为50％以下的条件下进行干燥，制得光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料。

3.根据权利要求2中所述光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料的制备方法，其特征在于，所述海藻酸钠的水溶液以海藻酸钠重复单糖单元为c6h7o6na计，所述海藻酸钠的水溶液的浓度为20～30mmol/l，所述双链型偶氮苯表面活性剂的水溶液的浓度为10～15mmol/l，所述氯化钙的水溶液中氯化钙的质量浓度为0.6％。

4.根据权利要求2中所述光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料的制备方法，其特征在于，所述所得混合液中，所述海藻酸钠以海藻酸钠重复单糖单元为c6h7o6na计，所述海藻酸钠与双链型偶氮苯表面活性剂的摩尔比20:1。

5.根据权利要求2中所述光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料的制备方法，其特征在于，所述将所得混合液以s形移动方式注射入氯化钙的水溶液中的速率为0.1～0.5ml/s，所述将拉伸后的湿纤维材料在室温且相对湿度为50％以下的条件下进行干燥的时间为20～30分钟。

技术总结本发明涉及生物纤维材料和刺激响应材料技术领域，主要涉及光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料及其制备方法。本发明所述光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料，是首先将海藻酸钠和双链型偶氮苯表面活性剂的水溶液注射入氯化钙的水溶液中制得湿纤维材料，然后将湿纤维材料经拉伸和干燥后得到的以双链型偶氮苯表面活性剂和钙离子为交联点的海藻酸钠纤维材料。本发明制得的光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料，同时具备高强度和高韧性两种机械力学性能，并能在光照条件下快速高效地改变强度和韧性。本发明制备的光响应型高强度高韧性海藻酸钠纤维材料可以作为智能强力材料应用于生物医学和医用材料等领域。技术研发人员：吴中涛,赵静,张蕾受保护的技术使用者：青岛科技大学技术研发日：技术公布日：2024/4/29