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蠶?？萍钾倚Q國(guó)重代方銀/李智團(tuán)隊(duì)在蠶絲傳感器研究中取得重要進(jìn)展

來(lái)源：家蠶國(guó)重

作者：家蠶國(guó)重

時(shí)間：2022-05-27 10:43:21

近日，家蠶基因組生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西南大學(xué)）代方銀教授/李智副教授團(tuán)隊(duì)在化學(xué)工程領(lǐng)域Top期刊Chemical Engineering Journal（中科院工程技術(shù)大類(lèi)一區(qū)，IF2021=13.273）在線發(fā)表題為“Breathable Nanomesh Pressure Sensor with Layered Polyaniline Grown at Gas-liquid Interface”的研究論文，報(bào)道了一種基于氣液界面生長(zhǎng)的層狀聚苯胺（polyaniline, PANI）可呼吸式納米網(wǎng)狀壓力傳感器。

單一導(dǎo)電聚合物（conductive polymers，CPs）的力學(xué)性能較差，難以形成纖維材料，將CPs與柔性基材結(jié)合可開(kāi)發(fā)功能性導(dǎo)電材料，所制備的復(fù)合材料既具有襯底的柔性功能特性，又具有與活性物質(zhì)相關(guān)的電活性。現(xiàn)有基于CPs的柔性基材通常是在溶液體系制備的，CPs的不溶性使其難以在溶液中均勻分散，當(dāng)CPs以團(tuán)聚顆粒的形式分布到柔性底物中時(shí)，其分子結(jié)構(gòu)表征和應(yīng)用受到嚴(yán)重影響。在聚合過(guò)程中，機(jī)械攪拌有利于單體的均勻分散，但容易對(duì)柔性基體造成不可逆的損傷，導(dǎo)致裝置耐久性差；單體在溶液中的分散會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)物被水分子稀釋?zhuān)瑥亩鴾p慢聚合速度，降低產(chǎn)物得率，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程耗費(fèi)大量時(shí)間和成本。此外，聚合產(chǎn)生的大量廢液的分離耗時(shí)長(zhǎng)，處理成本高，給環(huán)境治理造成極大負(fù)擔(dān)。因此，在保持材料力學(xué)性能的前提下，實(shí)現(xiàn)CPs對(duì)絕緣基底的有效活化改性是當(dāng)前柔性電極材料研究領(lǐng)域亟待解決的難題之一。

針對(duì)以上問(wèn)題，該研究報(bào)道一種新型的氣液界面聚合方法，利用苯胺單體的揮發(fā)特性，在浸泡過(guò)引發(fā)劑和摻雜劑的靜電紡絲纖維上原位生長(zhǎng)導(dǎo)電殼層PANI。該方法同時(shí)適用于絲素蛋白、醋酸纖維素和聚酯三種靜電紡絲纖維。當(dāng)單體從自制的密封反應(yīng)倉(cāng)底部向預(yù)處理過(guò)的纖維擴(kuò)散時(shí)，被纖維表面的引發(fā)劑溶液捕獲，從而引發(fā)聚合反應(yīng)，PANI沿纖維軸向法線由內(nèi)向外生長(zhǎng)，在氣液界面形成具有清晰邊界的層狀活性材料。纖維薄膜在浸泡過(guò)程中吸收大量引發(fā)劑溶液，形成有利于聚合反應(yīng)的豐富水膜環(huán)境，聚合過(guò)程能極大程度地保持靜電紡纖維膜的大孔徑和高比表面積，低溫聚合可避免CPs層的不規(guī)則生長(zhǎng)，在不犧牲三維多孔結(jié)構(gòu)的情況下賦予電紡纖維高電導(dǎo)率。基于這些特點(diǎn)，為探明纖維表面水含量與導(dǎo)電層性能的關(guān)系，改善三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器性能的影響，研究進(jìn)一步引入甘油延緩水分揮發(fā)速度，調(diào)控CPs聚合程度，并建立數(shù)學(xué)模型分析傳感器的靈敏度因子與甘油含量之間的關(guān)系，其結(jié)論對(duì)基于CPs的靜電紡絲材料的結(jié)構(gòu)和性能調(diào)控具有普適的規(guī)律和應(yīng)用價(jià)值。

絲素蛋白具有良好的生物相容性、自降解性和力學(xué)性能。課題組在此前的研究中將絲素蛋白和聚乳酸羥基乙酸混合紡絲制備出具有力學(xué)性能優(yōu)異和生物相容性更佳的復(fù)合薄膜，再通過(guò)添加活性導(dǎo)電材料，可制備出具有三維精巧結(jié)構(gòu)的蠶絲基壓阻式傳感器（International Journal of Biological Macromolecule，中科院JCR一區(qū)；Advanced Electronic Materials，中科院JCR二區(qū)）。在此基礎(chǔ)上，本研究利用絲素蛋白靜電紡絲，通過(guò)制備的再生絲素蛋白纖維膜吸收大量的水分子，形成有利于聚合反應(yīng)的豐富水膜環(huán)境，延長(zhǎng)聚合反應(yīng)過(guò)程，促進(jìn)導(dǎo)電聚苯胺均勻穩(wěn)定地在纖維上生長(zhǎng)，極大地提升導(dǎo)電活性材料的質(zhì)量和組裝傳感器的綜合性能，為傳感器的應(yīng)用提供電子傳輸基礎(chǔ)。

氣液界面聚合法制備導(dǎo)電纖維膜的實(shí)驗(yàn)流程圖

通過(guò)這種界面聚合法制備的導(dǎo)電殼層與絕緣纖維芯層之間結(jié)合緊密，纖維膜電阻穩(wěn)定，界面生長(zhǎng)能極好地維持靜電紡絲膜的多孔結(jié)構(gòu)，使薄膜透氣性?xún)?yōu)異。將該核殼纖維膜組裝成柔性壓力傳感器，與傳統(tǒng)液相聚合法制備的傳感器相比，該方法制備的傳感器具有較高的靈敏度(10.62 kPa?1)、快速的響應(yīng)時(shí)間(60 ms)和靈敏的檢測(cè)下限(5.1 Pa)。此外，該傳感器可用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、無(wú)創(chuàng)的人體健康評(píng)估，輔助呼吸道疾病的檢測(cè)和臨床診斷，還能借助氣壓輔助分子生物學(xué)檢測(cè)，在家庭醫(yī)療和即時(shí)護(hù)理中具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

西南大學(xué)家蠶基因組生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文第一署名單位，碩士研究生徐夢(mèng)婷（2019級(jí)紡織科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)）為第一作者，李智副教授為最后通訊作者，代方銀教授為共同通訊作者。該研究由國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)經(jīng)費(fèi)、中國(guó)紡織服裝學(xué)會(huì)智能紡織服裝柔性器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題、重慶市“留創(chuàng)計(jì)劃”創(chuàng)新類(lèi)資助項(xiàng)目及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722022124?via%3Dihub

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