西安交大白永康和桂林理工李裕琪等《Carbohyd. Polym.》：具备多响应形状记忆驱动与自供电传感功能的纳米纤维复合材料

2023-04-10 来源：高分子科技

作为仿生软体机器人中最重要的功能器件，柔性驱动器和传感器因其在智能医疗装置、人机交互、柔性电子以及航天航空等领域的巨大的应用前景而备受关注。但是目前有关柔性电子器件材料的研究主要集中于实现材料单独的驱动或传感功能，同时也存在响应方式单一和能源续航等问题，难以满足实际应用对材料多功能化的需求。然而基于柔性驱动器与传感器完全不同的工作机制，如何开发新型材料以协同实现其驱动与传感功能仍面临挑战。

近年来形状记忆聚合物、摩擦纳米发电机以及多功能纳米纤维等研究的发展则为解决这一问题提供了新的思路。基于此，西安交通大学白永康副教授与桂林理工大学李裕琪副教授合作，以醋酸纤维素为聚合物基底，通过静电纺丝法制备了一种兼具多响应形状记忆驱动和自供电压力传感功能的纳米纤维复合材料。通过对纳米纤维复合材料微观形貌、机械性能、光热转化效率等性能的研究发现，通过静电纺丝技术碳纳米管材料能够均匀地分散在纳米纤维中，使得纳米纤维膜能够具备优异的机械性能，提高其在驱动器与传感器的应用强度。而基于醋酸纤维素分子间氢键交联作用，纳米纤维复合材料则能够实现优异的热致响应形状记忆性能（如图1所示），其形状固定率和形状回复率均可达96%以上。进一步结合碳纳米管优异的光热转化性能，材料同样能够在近红外光的刺激下实现优异的光致形状记忆性能。而基于此，该纳米纤维复合材料则能够实现在光致驱动器中的应用，研究结果发现其能够拉动自身自重1050倍的负载，在光响应驱动器件中有着广泛的应用前景。

图1 (a)和(b)热响应形状记忆行为；(c)光热转化性能；(d)和(e)光响应形状记忆行为；(f)和(g)光致驱动行为。

为了探索该纳米纤维材料在传感器中的应用，本研究将其与PVDF纳米纤维膜组装构造了一种纤维基摩擦纳米发电机(TENG)，其工作原理如图2所示。通过研究发现，纳米纤维结构的构筑以及碳纳米管的引入能够显著提高TENG的输出性能，当碳纳米管含量为1%时，其开路电压、短路电流密度以及功率密度分别可达103.2 V，7.93 mA m^-2 和0.74 W m^-2。进一步通过对其所构筑的压力传感器研究发现，该纤维基TENG具有较宽的检测范围（0 - 65k Pa），且其在低于6.8 kPa时的灵敏度可达3.03 V kPa^-1（R²=0.991）。为了进一步探索材料在压力传感器中的应用前景，本研究进一步考察了其在人体运动监测以及风速检测中的应用。研究结果表明，该纤维基TENG在能够有效地监测人体的关节运动状态与行走状态的同时，也能够用于检测风速的变化，其风速检测灵敏度可达2.27 V (m s^-1)^-1。

图2 纤维基摩擦纳米发电机的工作机制与性能表征

图3 纤维基摩擦纳米发电机在人体运动监测与风速检测中的应用

综上可以发现通过静电纺丝技术所构筑的醋酸纤维素基纳米纤维复合材料不仅能够实现在多响应驱动器中的应用，也能够应用于自供电压力传感器中，从而大大拓展了该材料在各个领域中的应用前景。该工作以“Electrospun cellulose acetate nanofibrous composites for multi-responsive shape memory actuators and self-powered pressure sensors”为题发表在《Carbohydrate Polymers》期刊上，论文的第一作者与通讯作者为西安交通大学的白永康副教授，桂林理工大学的李裕琪副教授为共同通讯作者，拜罗伊特大学的Leonid Ionov教授为共同作者。该工作得了到国家自然科学基金和广西省自然科学基金等项目的资助。

原位链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0144861723003338

下载：Electrospun cellulose acetate nanofibrous composites for multi-responsive shape memory actuators and self-powered pressure sensors

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（责任编辑：xu）

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