仿蜘蛛丝导电水凝胶纤维 可用于纺织材料可拉伸器件

http://www.texnet.com.cn/ 2018-09-25 15:26:13 来源:纺织导报

仿蜘蛛丝导电水凝胶纤维 可用于纺织材料可拉伸器件

  可拉伸电子器件(例如可拉伸控制板、储能装置和传感器等)在智能可穿戴领域具有重要的意义,而弹性可拉伸导电纤维是其制备的关键材料。在众多功能性水凝胶中,导电水凝胶在可拉伸导电材料中具有很好的应用前景。


  大多数的导电水凝胶通过模型法制成二维薄膜或者三维立体材料,这种成形方法导致聚合物链中的分子常处于无序状态,因此导电性和弹性回复能力差,应用受限。如果导电水凝胶能够被制成高取向的纤维材料,它的机械性能和导电性能将会得到很大的改善。然而,导电聚合物的有序排列可存在于微米级固态纤维中,在肉眼可见的纤维尺寸中却很难实现。制备高取向性的导电水凝胶纤维仍是一项挑战。

  蜘蛛丝是在自然环境下从蛋白质溶液中纺丝而成,蜘蛛丝的分级结构和独特的纺丝过程是其获得优良性能的关键。蜘蛛丝是一种半结晶蛋白聚合物,在这种聚合物中,富含丙氨酸的结晶区被甘氨酸非晶态区作为连接剂连接起来。另一方面,溶液纺丝法由于简单易操作被广泛用于聚合物纤维的制备。

  由此受到启发,中国科学技术大学马明明教授等人介绍了一种简单的制备导电水凝胶纤维的方法,他们选择了一种成本较低的聚电解质聚丙烯酸钠(PAAS)作为纺丝材料,通过向溶液中加入盐或少量溶剂来改变聚合物的构象,赋予PAAS良好的可纺性。后续的纺丝过程和牵伸过程使聚合物PAAS分子链高度有序排列。

  

  PAH和MAPAH纤维的制备过程

  研究发现,在水和二甲基亚砜(DMSO)的混合液作溶剂时,可以很容易地从类似凝胶的溶液中提取粗细均匀的PAAS纤维长丝。纤维中的水在空气中蒸发,富集了纤维中的不良溶剂DMSO,引发快速相变,继而形成直径和长度可调的聚电解质水凝胶(PAH)纤维。通过观察可知,PAH纤维与蜘蛛丝类似,呈串珠结构,性能优异。同时,为改善其防水性能,通过涂覆聚丙烯酸甲酯(PMA)防水层,形成具有核-壳结构的PMA-PAAS水凝胶纤维(MAPAH纤维)。

  值得注意的是,耐水性MAPAH纤维具有很高的拉伸强度(5.6MPa)和韧性(断裂伸长率为1200%),在较大的拉伸变形中可快速回弹 (<30s),而且电导率高(2Sm-1),具有良好的抗冻性能。作为一种高性能、低成本的可拉伸导电纤维,MAPAH纤维将为下一代基于纺织材料的可拉伸电子设备的设计提供研究方向,具有重要应用价值。

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