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AM:機械性能與電子性能雙“優”的透明有機水凝膠纖維

添加人:材料人 發布時間:2020-2-12 14:32:38 來源:微信公眾號

可拉伸的導電纖維是下一代柔性電子產品的關鍵要素,F有的大多數導電纖維是不透明且相對剛性的,并且在拉伸過程中電阻會顯著增加。因此,柔軟、可拉伸和透明的離子導電水凝膠纖維引起了科研人員極大的關注。然而,水凝膠纖維難以制造并且易失水、易凍,這極大地阻礙了其應用范圍。本文設計了有機水凝膠纖維以應對這些挑戰。首先,新設計的雜化交聯雙網絡策略實現濕紡連續制備水凝膠纖維,接著通過簡單的溶劑置換將其轉變為有機水凝膠纖維。有機水凝膠纖維具有出色的抗凍能力(<-80°C),穩定性(> 5個月),透明性和可拉伸性(400%)。共價交聯網絡為主的設計克服了現有導電纖維的缺陷,確保了纖維具有高動態機械穩定性,而滯后和蠕變可忽略不計。因此,由有機水凝膠纖維制成的應變傳感器可以精確捕獲高頻(4 Hz)和高速(24 cm s-1)運動,并且在1000次拉伸釋放循環中電信號幾乎沒有漂移,因此可用于監測比如發動機氣門這樣的快速循環往復運動,電子監測性能超越了以前報道的導電纖維。有機水凝膠纖維還展現了作為可穿戴各向異性傳感器、數據手套、軟電極和光纖應用的潛力。
與傳統的基于薄膜的設備相比,基于纖維或織物的電子設備具有許多優勢,因此在可穿戴電子設備領域引起了極大的關注。目前可以將基于纖維的電子器件編織成各種3D形狀以用于不規則表面,并且可以輕松地將其集成到紡織品中以檢測不同方向上的應變,而這通過基于膜的應變傳感器很難實現。對于基于薄膜的傳感器,有效地適應彎曲和柔軟的人體皮膚仍然是一個挑戰。此外,薄膜通常不能滿足皮膚接觸電子產品所要求的透氣性和透濕性。相反,多孔且透氣的基于織物的電子設備可以長時間佩戴而不會引起皮膚不適。
近日,東華大學的游正偉教授(通訊作者)在Adv.Mater. 上發表了一篇題為“Mechanically and Electronically Robust Transparent Organohydrogel Fibers”的文章。這項工作報告了一種新型的導電纖維——有機水凝膠纖維。首先,基于獨特的物理共價雜化交聯機理,科研人員以藻酸鹽和末端官能化的聚乙二醇(PEG)預聚物(聚乙二醇二丙烯酸酯,PEGDA,Mn = 20 000)為原料,構建雙網絡,實現了水凝膠纖維的連續紡制工藝。接下來,將水凝膠纖維中的一部分水置換為甘油,大規模制備有機水凝膠纖維。所得的有機水凝膠纖維可以在-80°C下工作,并且可以在自然環境中長期穩定保存(>5個月)。最初的離子交聯網絡可確保紡絲的連續性,而主體的共價交聯網絡可為纖維提供出色的機械性能。所得的高度可拉伸的有機水凝膠纖維在循環加載和卸載過程中表現出優異的彈性和可忽略的滯后性,這是傳統導電纖維難以實現的。
a)有機水凝膠纖維中雜化交聯聚合物網絡的分子設計以及水凝膠纖維的濕紡過程和分子演化示意圖;(1),(2)和(3)顯示了紡絲過程中不同階段的結構演變,包括:1)紡絲溶液,2)離子交聯纖維,和3)雜化交聯纖維;
b)通過置換溶劑由水凝膠纖維制備有機水凝膠纖維的示意圖;
c)收集在連續纏繞的線軸上的長單纖維的照片;
d)有機水凝膠纖維針織紡織品的示意圖和照片。
a)在20°C(i)和-80°C(ii,iiii)下的水凝膠纖維照片,水凝膠纖維凍結并且在-80°C時容易斷裂(iii);
b)在20°C(i)和-80°C(ii,iii)下的有機水凝膠纖維的照片,纖維在-80°C(iii)保持高拉伸性;
c)導電水凝膠纖維在-80°C時變成絕緣體;
d)在-80°C下工作的防凍有機水凝膠纖維仍然導電;
e)在20°C和45%濕度下,有機水凝膠和水凝膠纖維隨時間的重量變化。插圖是在0和22小時拍攝的纖維照片;
f)在包含導電有機水凝膠纖維的電路中工作的LED的照片,5個月后仍然正常工作。
a)拉伸過程中纖維的雜化交聯網絡演變的示意圖。離子交聯的網絡被破壞,共價交聯的網絡仍然完好無損;
b)有機水凝膠纖維的典型應變應力曲線;
c)應變為50%,100%,150%,200%,250%和300%的有機水凝膠纖維的循環拉伸應力-應變曲線;
d)有機水凝膠纖維傳感器的電阻-應變曲線。藍色和綠色的擬合線分別對應于從0%到50%和從50%到200%的應變;
e)在頻率為0.4 Hz的各種循環應變下的電阻變化;
f)基于纖維的應變傳感器在50%應變下對十次加載和卸載循環的動態響應,這表明水凝膠應變傳感器的電滯后可以忽略不計;
g)有機水凝膠纖維在100%應變下7分鐘的電阻變化。
a)用于模擬發動機氣門的高頻和高速運動的定制設備的示意圖;
b)當在高達4 Hz的不同拉伸頻率下拉伸至100%時,有機水凝膠纖維應變傳感器的電阻變化;
c)在循環拉伸期間,有機水凝膠纖維和水凝膠纖維的電阻(R/R0)在50%的應變下進行1000次循環的不同響應;
d)比較有機水凝膠纖維與最近報道的導電纖維之間的檢測應變和頻率。
a)兩條有機水凝膠纖維編織到織物中制備的各向異性應變傳感器的照片;
b)隨著手腕假體的彎曲和松弛,纖維在x和y方向上的電阻變化;
c)有機水凝膠纖維制成的五通道的數據手套系統對手指彎曲和伸直的實時響應;
d)對國際手語中字母H,I,D和H手勢的實時響應。
a)有機水凝膠纖維在光遺傳學和ECG中的潛在應用示意圖;
b)使用有機水凝膠纖維電極收集的人類心電圖;
c)紅色激光從直的和彎曲的有機水凝膠纖維通過和導出的照片
研究人員設計并有效地制造了一種新型的導電纖維——有機水凝膠纖維。首先使用常規的濕法紡絲設備建立了連續工藝來生產水凝膠纖維,水凝膠纖維是重要的導電纖維家族,以前很難大規模制備。連續生產水凝膠纖維的關鍵是獨特的雜化交聯雙網絡策略,該方法不僅可以確保高效紡絲,還可以使纖維表現出出色的機械性能。由甘油和水組成的二元溶劑可使有機水凝膠纖維在低溫或干燥環境中保持穩定。有機水凝膠纖維由于可以忽略的滯后和蠕變以及優異的溶劑保持性,可以精確地監測高頻和高速重復運動以及長時間變形。除應變傳感器外,有機水凝膠纖維還顯示出其作為數據手套,可拉伸電極和光纖的潛力。這項工作為機械和電子性能雙優的透明纖維提供了新的分子設計思路和實用的制備新方法,在可穿戴電子,生物醫學和生物醫學人工智能等領域會有廣泛的應用。

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