物質學院凌盛杰課題組與合作者利用蠶絲開發出可規?;a的多功能電子織物

ON2019-10-19文章來源 物質科學與技術學院CATEGORY新聞

“這是一項具有競爭力的、可以制備應用于現實世界電子紡織品的技術”。

——Markus J. Buehler教授(《Chemical & EngineeringNews》)

近日,物質學院凌盛杰課題組與塔夫茨大學(Tufts University)大學的David L. Kaplan教授及MIT的Markus J. Buehler教授合作,基于天然蠶絲開發出可規?;a的多功能導電纖維。這類纖維具有優異的力學性能和良好的導電性,可以通過工業化紡織設備直接加工成具有環境響應性、力學響應性的多功能電子織物。該成果論文“Design and Fabrication of Silk Templated Electronic Yarns and Applications in Multifunctional Textiles”于10月9日在Cell旗下材料領域子刊Matter在線發布,并被Chemical&Engineering News同步報道。

C&EN同步報道

天然蠶絲纖維作為一種傳統紡織纖維,具備優異的力學性能,其織物具有輕薄透氣等優點。智慧織物在可穿戴、軟體機器人、人機交互及實時醫療監護等高科技領域顯示出廣大的市場。蠶絲基智慧織物則可具有更好的穿著舒適性及美觀性,然而其設計和制造存在諸多難題,特別是常規方法制備的導電蠶絲纖維在機械性能、加工性和耐久性無法與原始纖維相比,難以規?;a。

連續化生產的導電蠶絲紗線(左),機械繡花(中)和織物(右)

基于這一需求以及之前的研究基礎(Nat. Commun.2017, 8,1387),凌盛杰課題組設計了一種碳納米管混合漿料,利用簡單的浸泡-紡紗技術即可制備高性能導電蠶絲。相比其他基于蠶絲的功能化纖維的制備方法,如濕法、干法紡絲、碳化蠶絲等,這個新的策略幾乎完全保持了天然蠶絲本身的結構及力學性能,并且可以穩定負載較大含量的導電納米材料。

該方案通過利用六氟異丙醇溶劑實現對蠶絲表面溫和可控地溶解至發粘狀態而不破壞蠶絲纖維的主體結構,同時在其表面均勻負載碳納米管,形成牢固的碳納米管-蠶絲粘附?!斑@是決定該工作成敗的關鍵?!逼テ澅ご髮W的機械工程師Mostafa Bedewy在接受《Chemical & EngineeringNews》采訪時表示。獲得導電碳納米管涂層的蠶絲纖維脫除溶劑后,便可通過工業紡紗手段直接制成連續的導電蠶絲紗線。

導電蠶絲紗線的制備及表征。(a)導電蠶絲紗線制備流程圖。(b)單根導電蠶絲表面掃描電鏡照片。(c)導電蠶絲紗線掃描電鏡照片。

力學測試表明:導電蠶絲的拉伸強度和應變分別為633±168MPa和12±4%,與天然蠶絲纖維相當。制備導電紗線的過程中發現,一般短纖維組成的紗線的斷裂行為會受到加捻程度的顯著影響。隨著加捻程度的增加,短纖維之間的滑動將受到限制。而本研究中的單根纖維很長,在拉伸載荷作用下,紗線的變形主要由各纖維的張力決定。加捻過程的增加減小了每根導電蠶絲纖維之間的間隙,減小了紗線的橫截面積,導致紗線斷裂應力的增加和機械穩定性的提高,但不會影響紗線的總斷裂載荷。因此,良好的綜合力學性能使得導電蠶絲紗線可以經受劇烈的機械加工過程,而直接制成織物或繡花圖案,并可耐受商業洗衣機的激烈水洗程序。

成功制備出導電纖維的關鍵在于所碳納米管混合漿料的選擇。單純的六氟異丙醇溶劑很容易將絲直接溶解成微纖維。碳納米管的加入減弱了溶劑對絲的溶解,使得這一進程更加可控。該研究利用定向分子動力學模擬進一步模擬這一過程,發現六氟異丙醇進入碳納米管內部的勢壘低于沿著碳納米管外部移動的勢壘。此外,研究人員還比較了幾種有機溶劑進入碳納米管內部空間的能力。結果表明,溶劑分子與碳納米管之間的相互作用決定了溶劑分子擴散能力大小順序為:乙醇<甲酸<丙酮<甲苯<六氟異丙醇。

定向分子動力學模擬發現(a,b)溶劑分子更傾向于進入碳納米管內部。(c)不同溶劑分子在碳納米管內移動的勢壘對比。

導電蠶絲紗線及織物除了成功保持蠶絲固有的優異力學性能之外,還獲得碳納米管所帶來的一系列特性,包括疏水性、耐溶劑性、吸熱保溫性等,并且具有對環境溫度電阻響應性:溫度升高,導電蠶絲紗線的電阻減??;溫度降低,電阻同步增大。溫度響應性具有良好的可重復性,導電蠶絲紗線的紗線結構則賦予了其應變響應性。利用繡花機將導電蠶絲紗線加工在衣服的不同位置,可以用來監測人體運動,以及手勢等。這一特性顯示出導電蠶絲紗線在可穿戴傳感器、醫療監控以及人機交互領域中的應用潛能。正如Markus J. Buehler教授在接受《Chemical & EngineeringNews》采訪時說的那樣:“這是一項具有競爭力的、可以制備應用于現實世界電子紡織品的技術”。

導電蠶絲紗線具有(a)疏水性。(b)耐溶劑(丙酮、乙醇、甲苯、甲酸、六氟異丙醇)腐蝕性,箭頭所指處展示繡花基底無紡布已被腐蝕鏤空。(c,d)吸熱保溫性,圖為繡花機加工圖案紅外燈照射后的熱像儀圖像。(e,f)應力響應性,可用來監測行走或進行手勢翻譯。

本論文的第一作者為上??萍即髮W物質學院2019級博士生葉超以及凌盛杰課題組助理研究員任婧,通訊作者為上科大凌盛杰教授、塔夫茨大學(Tufts University)大學David L. Kaplan教授及MIT的Markus J.Buehler教授。上??萍即髮W為第一完成單位。此項研究在開展過程中,得到了中國科學院過程工程研究所王艷磊博士和MIT的靳凱博士在理論計算方面提供的協助,及中國科學院海西研究院泉州裝備制造研究所的韓軍研究員在材料表征方面提供的幫助。此外,上科大物質學院分析測試平臺和電鏡中心在材料表征方面也提供了大力支持。該研究得到了國家自然科學基金、上海浦江人才計劃、上海揚帆計劃及上科大啟動資金等的支持。

文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.07.016

Chemical & EngineeringNews報道鏈接:https://cen.acs.org/materials/biomaterials/Coating-silk-carbon-nanotubes-yields/97/web/2019/10