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东华大学研发高压敏电导率形状记忆纳米纤维组装水凝胶
时间:2017年5月5日 作者: 来源:纺织科学研究

环境友好型、高含水量的水凝胶因具有生物相容性、反生物污染行为和感受外部刺激能力等优点而受到关注,并广泛用于生物医药、环境和能源等领域。通过可扩展的方法制备的超弹性、蜂窝状3D纳米纤维水凝胶弹性体(NFHs)具有可调节的含水量和形状、极低的密度、非常好的循环压缩性、零泊松比、优良的热稳定性、弹性响应导电性和低压力敏感性。该水凝胶可在较宽的范围内检测动态压力且灵敏度高,同时具备形状记忆功能。

近日,东华大学长江特聘教授丁彬研究团队,通过实验证明蜂巢具有较高的结构强度和与水凝胶相似的表观密度,并利用可扩展的方法将藻酸盐与柔性SiO2纳米纤维组合,制备超弹性、蜂窝状的纳米纤维水凝胶(NFH),从80%应变完全恢复、零泊松比、记忆行为、注射性和弹性响应,并灵敏地检测宽范围(>50Pa)的动态压力(0.24kPa-1)和耐久性(100个循环)。


 

 

(a)均匀藻酸盐/纳米纤维分散体通过高速匀浆制备。合成原理图:1.均匀的纳米SiO2纤维分散液;2. 液氮冷却分散液;3. 冷冻干燥制备NFHs;

(b)含水量99.8wt%的NFHs的光学照片;

(c-e)三种不同网络结构纳米纤维的水平示意图:藻酸盐/SiO2复合纳米纤维,藻酸盐凝胶和通过Al3+的离子交联;

(f-h)NFHs在不同放大倍数下的显微结构照片,验证了仿生蜂巢的多孔纤维结构;

(i)具有相应的单个纳米纤维的STEM-EDS图像,EDS图谱分析显示元素Si,O和Al均匀分布;

(j)三个不同长度尺度的四层结构示意图。

(f-h)展示了细胞结构在三个不同的长度尺度上可以简化为四级层次结构:整个样品(>1mm),单位细胞(10-30μm),细胞壁(1-2μm)和纳米纤维(50-300nm)

(a)沿加载方向NFHs的压缩应力-应变曲线及压缩循环的侧面图:NFHs展现了优异的机械性能,可以承受很大的变形而不产生裂缝;

(b)由各种金属阳离子交联的NFH的压缩σ对ε曲线;

(c)NFHs的泊松比随压缩应变变化曲线:表明即使是在微米级尺度,泊松比仍然接近于0,无论是压缩还是放松,都与应变关系不大,这体现了NFHs体结构与微观结构的一致性;插图:压缩前后NFH的光学显微镜观察;

(d)纳米纤维细胞壁在压力下的转变示意图:由图可以看出,纳米纤维细胞壁在压力下的转化是各向同性的,而这中转变对于解释泊松比接近为0至关重要;

(e)1000次应变增加到50%的循环压缩实验:表明了NFHs在此应力下仅有相对较小的塑性变形,表现出了优异的抗疲劳性;

(f)杨氏模量、能量损失系数及最大应力对应疲劳实验周期曲线:表明经过1000次循环压缩实验后,杨氏模量、能量损失系数和最大应力并未降低很多,仍能达到最初的65%;

(g)NFHs具有低固体含量的所选水凝胶的相对杨氏模量;

(h)光学照片显示NFH的保水能力,约10mg的挤压和干燥的NFH样品可以容纳约5g的水。

 

(a)NFHs及其他生物质衍生水凝胶的电导率-低相对密度曲线:由图可知NFHs的电导率高于其他水凝胶,且电导率与密度成幂次关系,验证了CNFAs的高效率细胞结构;

(b)角频率NFH的储存和损耗模量的依赖性(振荡ε为±5%);

(c)在水中,干燥和挤压的NFH可以快速恢复到原来的形状;

(d)NFH通过狭窄的注射器针头的注射行为。

 

(a)NFH和其他选择的高水量水凝胶的电导率内容;

(b)NFH和纯水(无水凝胶用于控制)的当前反应为a压缩函数ε;插图显示,灯泡亮度随着压缩率的增加而增加;

(c)100次循环电流压缩响应试验,ε分别为0%和50%;

(d)NFHs对不同压力的及时响应,其中虚线表示两条不同灵敏度的曲线:压力P为0-3kPa时,压力灵敏度S为0.041kPa-1;P>3kPa时,S快速增加为0.24 kPa-1。

该研究团队提出了无溶剂,协同效应装配策略可扩展制造超弹性,成功设计藻酸盐与柔性SiO2纳米纤维组合细胞结构的NFHs。海藻酸钠被大量重建成三维弹性体纳米纤维水凝胶中,使得其具有可调节含水量、变形性能优异、80%应变下零泊松比恢复、独特形状记忆行为和弹性响应电导率等多功能性。

NFHs可以检测动态压力范围广,灵敏度高0.24 kPa-1,稳定耐久100次。该水凝胶有望广泛用于未来灵活的压力传感器,组织工程,电动/压力刺激,药物递送的支架车辆,医疗诊断装置,生物制剂和人造皮肤。

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