先進功能材料:3D打印纖維素基復合智能纖維和織物

3D打印快訊
2019
10/22
17:14
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來源:高分子科學前沿

纖維材料具有來源廣泛和力學性能優異的特點,是未來材料科學研究和應用領域的重點方向之一。然而,目前的纖維材料往往在結構組成和功能上表現較為單一,限制了其更廣泛領域的應用。例如,大多的高分子纖維材料為絕緣材料,很大程度上限制了其在電子器件和未來智能可穿戴紡織品領域的應用。除此之外,如何通過簡便的制備方法來高效制備具有智能響應作用的纖維材料及其織物,并實現在復雜環境中的多重刺激響應性,也是目前亟待解決的一大難題。

為克服以上難題,同濟大學附屬第十人民醫院陳峰研究員團隊與北京林業大學馬明國、上海大學張娟教授合作,利用3D打印策略,制備得到尺寸和形貌均得到較好控制的MXene增強的納米纖維素基智能纖維和織物(圖1)。本研究利用納米纖維素的分散液在乙醇中的溶劑交換和自組裝性能,實現了連續、穩定的宏觀納米纖維素膠體纖維的制備;并通過適量MXene的加入,顯著提高了復合纖維的力學性能和導電性。此外,利用納米纖維素與MXene間存在的相互作用,本研究可以將具有均一結構的MXene/納米纖維素復合漿料非常簡便的3D打印成多種復雜形狀的纖維織物(圖2)。

圖1. (a) 智能纖維織物的制備過程示意圖;(b,c) 單層MXene的分散液和透射電鏡圖;(d,e) 納米纖維素的分散液和透射電鏡圖;(f) 3D打印復合漿料在乙醇中成型;(g) 干燥后的納米纖維素/MXene復合纖維

圖2. (a-f) 復合漿料在乙醇中被3D打印成多種形狀;(g) 復合纖維的元素分布圖;(h) 復合纖維的原子模型圖
研究表明,制備的MXene/納米纖維素復合的智能纖維和織物具有優異的光熱和電熱響應能力(圖3)。并且,隨著近紅外光強度和輸入電壓的提高,纖維織物的響應能力越明顯。當打印的復合纖維織物被組裝成傳感器時,可以實現對人體的手指彎曲、手腕彎曲、吞咽、發音等運動的實時監測。這種新型的智能纖維在可穿戴加熱紡織品、人體健康監測和人機界面等領域具有廣闊的應用前景。

圖3. (a,b) 復合纖維的光熱轉換曲線圖;(c,d) 復合纖維的電熱轉換曲線圖和熱成像圖;(e,f) 智能纖維織物傳感器對人體手指彎曲和吞咽運動的實時監測
以上研究工作以”MXene-Reinforced Cellulose Nanofibril Inks for 3D-Printed Smart Fibres and Textiles”為題在線發表在《Advanced Functional Materials》上。論文第一作者為博士生曹文濤,通訊作者分別為陳峰研究員、馬明國教授和張娟副教授。

論文鏈接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201905898

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