南洋理工大學魏磊團隊Nature子刊:基于溶芯熱拉法制備超彈性纖維的自供電多功能傳感系統

【引言】

熱拉制纖維工藝發展于制備傳統光纖，目前已經被廣泛應用于各種功能性纖維的大規模制備，可拉制的材料包括玻璃、半導體、金屬、高分子材料等，并在傳感、能量收集與轉換、人機接口等諸多領域取得了突破性進展，已經實現了例如光學傳感，神經傳感，化學傳感等多功能傳感。由于熱拉制纖維工藝具有高穩定性，良好的材料與結構兼容性，可以將多種材料和功能集成，也使之有望用于大規模制備柔性電子器件。目前柔性電子器件工作原理主要基于壓阻效應，電容監測，壓電效應等，以及最近提出的摩擦納米發電機(TENG)技術。結合纖維的易加工、防水等優勢，如果將功能性纖維制作成柔性電子器件，則可以實現紡織型可穿戴柔性電子器件。柔性電子器件普遍具有高動態彎曲彈性和可拉伸性能，良好的機械強度，適用的材料多為低彈性模量低粘滯系數的高分子材料。熱拉工藝要求拉制的材料在拉制溫度下保持一定的粘滯系數，而用于柔性電子的熱塑性材料在加熱時普遍具有粘滯系數低、粘性高的特點，因此如何在加工時保持特定的結構仍是一個挑戰。

近日，新加坡南洋理工大學魏磊教授團隊（通訊作者）成功開發了一種通用的兩步溶芯熱拉制方法，使熱拉制“預制棒-纖維”這種工藝在保持纖維結構的基礎上可以加工更多的柔性、彈性高分子材料，擴展了這種工藝可以應用的材料范圍，利用PVA具有的合適的粘滯性和水溶性，一些低粘滯系數的功能材料（例如，低模量的SEBS, 實驗室合成的凝膠類材料）也可以被拉制成特定形狀的纖維。具體來講，首先將SEBS-PVA 殼-芯結構的預制棒拉制成特定形狀的纖維，然后將纖芯溶解獲得中空結構的SEBS纖維。將液態金屬注入纖芯并連接導線，這樣導電的超彈性纖維即可作為TENG傳感器件用于收集各種運動信息。這種方法制備的超彈性導電纖維在被拉伸值19倍時仍可保持導電性，可以承受1.5kg啞鈴從0.8m高度自由落體的沖擊。由于其柔軟的超適應性，可以貼附在各種形狀的物體表面采集信息，尤其適用于貼附在運動器材上對運動表現進行監測。研究人員將這種纖維以網狀貼附在二維形狀的棒球手套和三維形狀的足球上進行初步驗證，它可以承受棒球的沖擊，也可以在足球上通過球坐標來構建傳感網絡。另外由于本身具有良好的防水性，本工作中進一步將其用于溶液體系離子運動變化的探測，展示其在大面積海底探測中的應用前景。相關研究成果以“Self-powered multifunctional sensing based on super-elastic fibers by soluble-core thermal drawing”為題發表在Nature Commun.上。

【圖文導讀】

圖一、通過溶芯熱拉法制作超彈性導電纖維

（a）通過注塑機將PVA粒料重塑成不同形狀的芯材；

（b）用SEBS膜緊密包裹不同形狀的PVA芯材；

（c）真空加熱固合后得到預制棒；

（d）熱拉制纖維過程的示意圖；

（e）不同形狀的纖維溶芯前后的截面圖；

（f）所得纖維的照片；

（g）纖維表面上制備的微米結構；

（h）超柔導電纖維展示；

圖二、超彈性導電纖維作為TENG來收集機械能

（a）測試平臺的示意圖；

（b）超可拉伸TENG纖維的工作機理；

（c）纖維在無應變和1000%應變工作條件下的仿真。

圖三、纖維TENG的電學輸出信號與纖維數目和拉伸長度的關系

（a）纖維在0、200、600和1000％應變時纖維的開路電壓；

（b）纖維在0、200、600和1000％應變下的短路電流；

（c）纖維在0、200、600和1000％應變下的轉移電荷量；

（d-f）分別從a-c提取不同應變下，不同數量纖維的電壓，電流和轉移電荷的峰值。

圖四、超彈性導電纖維的可拉伸性和耐久性

（a）在拉伸19倍情況下依然導電；

（b）左：可以承受1.5kg啞鈴從0.8m高度自由落體的沖擊；右：可承受人體步行引起的沖擊和變形；

（c）SEBS，PTFE和硅膠中空纖維的可拉伸性試驗；

（d）對SEBS，硅膠和PTFE中空纖維進行DMA測試，獲得對應的楊氏模量分別為1.6、5.8和204.1MP；

（e）外接不同負載時的功率密度；

（f）進行了0、2500、5000和8000次接觸分離循環時的電流輸出，證明了超彈性導電纖維的耐用性。

圖五、超彈性導電纖維的形狀適應性（a-e）可以完美貼合不規則形狀的棒球手套和三維立體的球體；

（f-k）在足球表面利用超彈性纖維構建一個球坐標探測系統，來收集球體表面不同位置被觸碰時的信號。經過信號分析，可以準確顯示被觸碰過的坐標點。

圖六、超彈性導電纖維用于探測溶液中的離子運動

通過電化學工作站設定的電信號（0.8 V,?0.4 V, 0.2 V直流信號）來控制溶液中離子的運動變化，研究不同因素對探測結果的影響。

（a，b）探究導電纖維浸沒長度對探測到的信號的影響；

（c，d）探究不同溶質類型對探測信號的影響；

（e）14厘米長的纖維在不同溶液濃度和不同信號下的探測結果總結；

（f）探測原理示意。

【小結】

綜上所述，本文用溶芯法制備了具有強可拉伸性的SEBS中空纖維，再將液態金屬注入內芯以獲得超彈性導電纖維。基于表面接觸產生的摩擦起電效應和靜電感應原理，此超彈性導電TENG纖維可以貼附在2D和3D表面上，用作自供能傳感器，同時承受瞬時沖擊。由于纖維器件本身具有良好的防水性能和易封裝的優點，研究人員進一步利用超彈性導電纖維在不同溶液中探測離子運動變化。揭示了其用作水下自供能探測器的潛力。這種新的纖維制作方法使得熱拉制法可以用來拉制更多結構的彈性材料纖維，熱拉制纖維與TENG技術的結合，也給軟材料電子器件的纖維化和大面積集成提供了一條可行的途徑，更多水下應用也可以由此進一步開發。

文獻鏈接：“Self-powered multifunctional sensing based on super-elastic fibers by soluble-core thermal drawing”(Nature Commun.，10.1038/s41467-021-21729-9)

【團隊介紹】

魏磊，新加坡南洋理工大學電氣與電子工程學院副教授。2005年本科畢業于武漢理工大學，2011年博士畢業于丹麥科技大學，2010-2014年在美國麻省理工學院進行博士后研究，2014年加入新加坡南洋理工大學電氣與電子工程學院任南洋助理教授，2019年升任副教授，2018年起任新加坡南洋理工大學光纖技術研究中心主任。主要從事光纖傳感、纖維光電子器件、復合材料纖維、智能織物、生物光纖交互和纖維內能量的產生和收集等方面的研究。在Nature、Nature Biotechnology、Nature Photonics、Advanced Materials?和?Nature Communications等學術期刊上發表論文100多篇。

課題組鏈接：www.leiweigroup.com

【相關優質文獻推薦】

Designer patterned functional fibers via direct imprinting in thermal drawing,?Nature Communications?11, 3842 (2020).

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17674-8

Elastic and stretchable functional fibers: a review of materials, fabrication methods, and applications,?Advanced Fiber Materials?3, 1-13 (2021).

https://link.springer.com/article/10.1007/s42765-020-00057-5

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