具备光调控性能的海藻酸钠强力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，主要涉及一种具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料及其制备方法。

背景技术：

1、刺激-响应性质对于智能材料来说至关重要，该种性质能够使得材料以可控的方式发生物理及化学性质的改变。力、温度、光、电场、磁场、湿度和化学物质等都可以作为有效的外力刺激来源。在众多的外力刺激中，光具有独特的优势，主要体现在时空可控性、无废弃物和物理损伤小等方面。

2、实现材料性能的光致调控需要借助于光敏分子的应用，将光敏分子植入到材料中，在光照条件下，光敏分子发生结构、电荷和极性等性质变化，能够驱动材料的性能发生改变。通过该种方式，信息记忆材料、恒温相变材料、储能材料、自愈合材料和智能粘合剂等多种具备光调控性能的材料得到快速发展。螺吡喃是有机功能材料和生物材料中常用的光敏分子之一，相比较于其它光敏分子，螺吡喃在光照条件下同时发生构象变化和电荷变化，能够从结构和电荷性质两方面驱动材料发生物理化学性质的改变。螺吡喃的光致异构化是可逆变化，非平面螺环结构可以在紫外光照射下快速转变为平面共轭结构，同时，分子会由无电荷状态转变为兼性离子状态，而可见光则可以驱动开环螺吡喃分子恢复到螺环结构。

3、具备光控性能的强力纤维材料的制备是材料学中的难点之一。材料学设计中，在获取高强度机械力学性能的同时往往意味着失去对力学性能的快速高效调控。如能将螺吡喃类分子应用于材料的设计合成中，在提高材料机械力学性能的前提下同时实现对力学性能的快速高效调控，则能有效解决上述难题。海藻酸钠是自然界中大量存在的多糖类分子之一，糖链为具有大量负电荷的线性结构，通过使用钙离子、铝离子等带有正电荷的金属离子作为交联点，能够有效提高海藻酸钠材料的力学性能。以此为基础，已经发展了多种类型的强力生物材料，但是，单纯以金属离子作为交联点制备得到的海藻酸钠材料难以对外界刺激做出有效响应，尤其是对于具备千兆帕斯卡(gpa)以上强度的材料来说，更加难以在室温条件下实现对其力学性能的快速高效光调控。因此，借助于螺吡喃类分子的光敏性质，制备得到具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料，对于拓展海藻酸钠材料和螺吡喃类材料在基础科研以及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具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料及其制备方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明提供一种具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料，其制备原料包括海藻酸钠和双链型螺吡喃表面活性剂。

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，所述双链型螺吡喃表面活性剂为n-2,5-二氧杂庚基-n,n-二甲基-8-(1'-(3',3'-二甲基-6-硝基螺吡喃基))辛基溴化铵和n-3,6,9,12-四氧杂十三烷基-n,n-二甲基-8-(1'-(3',3'-二甲基-6-硝基螺吡喃基))辛基溴化铵中的任一种。

6、在本发明中，所述具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料的制备方法，包括：

7、在室温条件下，将海藻酸钠的水溶液与双链型螺吡喃表面活性剂的水溶液混合，将所得混合液以s形移动方式注射入氯化钙的水溶液中生成纤维材料，将生成的纤维材料放入纯水中浸泡1分钟后取出，将纯水中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，制得具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料。

8、在本发明中，所述具备光调控性能的海藻酸钠强力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，所述双链型螺吡喃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0.5％。

9、在本发明中，所述具备光调控性能的海藻酸钠强力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螺吡喃表面活性剂的摩尔比30:1。

10、在本发明中，所述具备光调控性能的海藻酸钠强力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30分钟。

11、在本发明中，制备得到具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料后，还包括所述具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料在室温条件下通过可见光和紫外光照射调控力学性能的过程。

12、在本发明中，所述具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料在室温条件下通过可见光和紫外光照射调控力学性能的过程包括：可见光照射，调控所述具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料的强度和韧性减弱到初始值的30％以下；紫外光照射，调控所述具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料的强度和韧性得到恢复。

13、在本发明中，所述具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料在室温条件下通过可见光和紫外光照射调控力学性能的过程中：所述可见光照射的条件为波长520nm，强度90mw/cm2，时间3分钟；所述紫外光照射的条件为波长365nm，强度30mw/cm2，时间3分钟。

14、本发明提供了一种具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料及其制备方法，所述具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料及其制备方法具有如下特点：

15、1、本发明所得具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料，是以双链型螺吡喃表面活性剂和钙离子为交联点的海藻酸钠纤维材料。

16、2、本发明所得具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料，同时具备高强度和高韧性，所述具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料的平均拉伸强度和韧性可达1.3gpa和175.4mj/m3，该两种机械力学性能与蜘蛛牵引丝的强度和韧性相当。

17、3、本发明所得具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料，能够通过光照刺激快速地改变力学强度和韧性。

技术特征：

1.具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料，其特征在于，其制备原料包括海藻酸钠和双链型螺吡喃表面活性剂，所述海藻酸钠为分子式为(c6h7o6na)n的多糖聚合物的混合物，所述双链型螺吡喃表面活性剂为n-2,5-二氧杂庚基-n,n-二甲基-8-(1'-(3',3'-二甲基-6-硝基螺吡喃基))辛基溴化铵和n-3,6,9,12-四氧杂十三烷基-n,n-二甲基-8-(1'-(3',3'-二甲基-6-硝基螺吡喃基))辛基溴化铵中的任一种。

2.根据权利要求1所述具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料的制备方法，其特征在于，包括：在室温条件下，将海藻酸钠的水溶液与双链型螺吡喃表面活性剂的水溶液混合，将所得混合液以s形移动方式注射入氯化钙的水溶液中生成纤维材料，将生成的纤维材料放入纯水中浸泡1分钟后取出，将纯水中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，制得具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料。

3.根据权利要求2中所述具备光调控性能的海藻酸钠强力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，所述双链型螺吡喃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0.5％。

4.根据权利要求2中所述具备光调控性能的海藻酸钠强力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螺吡喃表面活性剂的摩尔比30:1。

5.根据权利要求2中所述具备光调控性能的海藻酸钠强力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，主要涉及具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料及其制备方法。本发明所述具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料，是首先将海藻酸钠和双链型螺吡喃表面活性剂的水溶液注射入氯化钙的水溶液中制得纤维材料，然后将所得纤维材料经纯水浸泡、拉伸和干燥后得到的以双链型螺吡喃表面活性剂和钙离子为交联点的海藻酸钠纤维材料。本发明制得的具备光调控性能的海藻酸钠强力纤维材料，是与蜘蛛牵引丝的强度和韧性相当的高强度高韧性材料，其能够在光照条件下实现对强度和韧性的高效调控。本发明制备的具备光调控性能的海藻酸钠强力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：张蕾,吴中涛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