ACS Nano-納米結構Bijel纖維原位力學性能測試

雙連續界面卡乳劑（Bijels）是一類軟材料，由通過界面粘合、膠粒干擾形成混合物的亞穩態分離物聚集而成。Bijels有兩個互相貫穿且連續的不相容液體網，在它們的界面通過納米顆粒卡層固定。Bijels獨特的結構、機械和傳輸性能使其在包括醫療、食物、能源以及反應工程等眾多領域都有潛在的應用。為了讓Bijels在加工和性能方面的潛力得到發揮，對其力學性能的控制就非常有必要。

最近，來自美國賓夕法尼亞大學的研究人員開發了一種基于溶劑轉移誘導相變（STRIPS）的新方法，通過微流體平臺，其可以從富含液體和納米顆粒的混合物中連續加工出有層次的Bijels纖維。此外，研究人員引進了一種原位技術，在纖維加工的初始和最終階段對其力學性能進行測試。通過控制施加在纖維上的水動力壓力，纖維一直處在張力狀態直至斷裂。隨后通過對應力場的分析，可以推斷出纖維的抗拉強度。隨著納米顆粒含量的變化，纖維的抗拉強度可以高達幾千Pa。

該發現拓寬了STRIPS Bijels在不同力學性能要求下的潛在應用領域，而原位力學性能測試技術可以為其它軟纖維材料，如水凝膠、毛細管懸浮液、膠態凝膠以及高內相乳液等進行性能測定。

【圖文導讀】

圖1?控制纖維形成，水流經一個直徑為300um的圓柱形通道，摻雜納米顆粒表面活性劑的三元液體混合物由直徑為50um的中心噴嘴噴出，經過粘彈性轉換器，在相分離和界面粒子干擾上形成Bijel纖維.

（a）當內、外流體流速正好平衡時，形成連續地Bijel纖維

（b）當外部的水流速度增加時，施加在纖維上的剪切應力將導致纖維周期性的間斷，形成不連續纖維

圖2?纖維長度與形態的可調諧性

（a）纖維成型在同軸微流體通道中的快照，數字對應的是水流速度，單位為mL/h

（b）連續Bijel纖維、Bijel棒以及Bijel滴的三維共焦顯微圖，黑暗區域對應的是油，亮色區域對應的是水

（c）纖維長度與流量的關系，圖中的曲線對應流量組合導致纖維長度恒定（表示為縱橫比±標準偏差），曲線由圖3a與圖S6的實驗數據擬合而來，對于每一個流量組合，每一個給定比率的標準偏差都來自至少20個測量數據的計算。

圖3?Bijel纖維片段的分析

（a）不同三元流率Q_T，纖維長度L_c與水流量Q_w在的關系：（●）50uL/h，（×）100uL/h，（+）200uL/h. 垂直誤差條：纖維長度的標準偏差

（b）纖維長度與剪切應力倒數的關系，由于在低T_rzl_R1下，1/ T_rzl_R1的誤差增加、Lc的標準偏差變大，因此只采用 ? ? ? ? T_rzl_R1>0.6N/m²的數據點來確定線的趨勢

（c）纖維抗拉強度與Q_T的關系以及相對灰度（X-軸下面），水平誤差條是相對灰度的標準偏差

（d）相對灰度與纖維噴嘴距離之間的關系（相對灰度定義為纖維灰度值除以最終灰度值），所有的實驗結果顯示硅的重量分數 為0.197g_silica/g_total，相對于最初三元混合物的總體積，溴化十六烷基三甲銨（CTAB）濃度為40mM

圖4 成熟工藝Bijel纖維的抗拉強度。纖維特性：在水流速度Q_T下，Bijel纖維片段以一定速度通過長度為5cm的轉換通道，進入一個錐形收縮通道（長2200um，進出口直徑分別為300和80um）.在鄰近收縮處，水流速度增加，對應的局部剪切應力增加，使纖維受到拉伸，導致其在通道中撕裂，對該過程進行分析，可以確定纖維的抗拉強度。

（a）左圖：纖維斷片在不同時間進入錐形收縮的顯微照片；右圖：高速視頻顯微鏡下纖維速度隨時間的變化

（b）纖維周圍水流速度與剪切應力的示意圖

（c）纖維斷片間斷前沿其長度周向瞬時比剪切力曲線（對應上面的顯微圖像u=190um/ms，Q_w=7mL/h， R₁=19um，?β=0.0486，L_ab=1280um，L_bc=1490um，L_cd=700um，纖維中硅的重量分數為0.26 g/g），通過對上述圖的曲線進行積分，計算出不同纖維片段的剪切力（kPa）

（d）Bijel纖維在不同納米顆粒含量下，所測得的抗拉強度σ_c,f。

文獻鏈接：In Situ Mechanical Testing of Nanostructured Bijel Fibers