论文摘要：仿生纤维材料的制备及水凝结特性调控

自然是人类的课堂，向自然学习已成为科学家和工程师们的创新源泉。生物材料的多尺度结构表现出与生俱来的多功能特性，这种特殊的依赖生物理念解决问题的思路为许多科学家工程师提供了设计多功能多尺度结构人造材料的灵感。对许多典型的生物材料的研究，包括荷叶，稻米叶，蝴蝶翅膀，水黾腿，昆虫复眼，红玫瑰花瓣，蜘蛛丝，贝壳，壁虎脚等，有助于未来多功能结构仿生材料的设计。

水资源短缺的问题是人类关心的一个主要问题，全球有大约十亿人生活在淡水资源缺乏的地区。有趣的是，有些动物和植物的能够在干旱的地区生存，并从空气中捕获水分，为己所用，例如，沙漠中的甲壳虫、仙人掌，对沙漠中的动植物而言，雾气收集是比降雨更可靠的方法，自然雾气收集系统的仿生制备成为一个有趣的课题。最近几年，在纤维上实现较大水滴的水收集和水过滤工程成为重要的研究课题，蜘蛛的捕获丝在浸润后能够悬挂非常大的水滴，表现出强大的挂水能力，这种自然界挂水的蜘蛛网给我们提供了灵感，围绕着蜘蛛丝的特殊浸润性与其表面微观形貌之间的结构-功能关系，着眼于仿生纤维的优化制备及其功能化提升，我们主要开展了如下工作：

在对筛孔蜘蛛捕获丝“湿重构”的基础上，采用了一种简单的浸渍提拉法，利用聚合物溶液在基底纤维上Rayleigh不稳定而产生的液膜破裂，制备得到了具有类蜘蛛丝结构的仿生纤维材料；同时，优化了类蜘蛛丝结构仿生纤维的制备方法，发现了仿生集水纤维的纺锤节的多级结构，并探索了多级结构在水凝结中的作用。

受纺锤节三级结构的启发，我们采用角度浸渍提拉法制备了梯度纺锤节纤维，这种纤维不但实现了微小液滴在单个纺锤节上的凝结，而且通过多力协作，实现了微米级液滴的长距离传输。在浸渍提拉法的基础上，我们研发了大规模制备的仪器，通过速度调节，制备了多种模式的梯度纤维，实现了液滴的可控方向的传输。

受蜘蛛丝集水性能的启发，我们发现生物材料蚕丝不但具有很好的力学性质，而且有很好的生物相容性，这满足了我们对轻质高强集水材料的要求。在上述成熟的制备方法下，我们制备出了性质优越的以蚕丝为底丝的仿生集水纤维。由于蚕丝本身的特性，使得这种仿生纤维的集水能力远远大于以尼龙为底丝的仿生纤维。

在优化制备的基础上，我们进一步研究了影响仿生纤维集水效率的因素，包括纤维的直径，纺锤节的半轴角，固液接触面以及高低粘附状态。这个研究有助于我们在实际生产及集水材料的应用中，选择合适的基底纤维及制备工艺，从各个方面提高集水效率，同时，高低粘附状态的改变为制备液滴抓取、转移和释放的智能材料提供了新的思路。

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