不列颠哥伦比亚大学姜锋教授、Peyman Servati教授《Nano Letters》：壳聚糖改性纤维素多孔结构用于可回收、高灵敏湿度驱动器及自动冷却纺织品

2024-11-01 来源：高分子科技

具备可编程性、刺激响应性和快速响应特性的湿度驱动器近年来备受关注。尽管传统聚合物材料能够实现上述性能，但其在可穿戴系统中的应用仍面临生物相容性和生物降解性欠佳等限制。由于纤维素良好的亲水性及可生物降解性，纤维素基湿度驱动器作为潜在替代材料，已引起广泛研究，但其响应速度较慢、稳定性及界面粘附力不足等问题仍亟待解决。

近日，不列颠哥伦比亚大学姜锋教授团队和Peyman Servati教授合作，利用壳聚糖改性微米级纤维素纤维结合TEMPO氧化纳米纤维素，构建了一种双层结构的湿度驱动器。质子化的壳聚糖与呈负电性的纳米纤维素之间产生强烈的静电吸引，从而实现稳固的界面结合。不同尺度的纤维素纤维构建出分级多孔结构，同时利用两种纤维亲水性的差异，形成有效的润湿梯度，赋予驱动器稳定且快速的湿度驱动性能。该研究成果以“Recyclable Chitosan-Modified Cellulose Fiber Porous Structure for Sensitive and Robust Moisture-Driven Actuators and Automatic Cooling Textiles”为题发表于期刊《Nano Letters》，不列颠哥伦比亚大学博士研究生朱嘉莹为论文的第一作者，通讯作者为朱朋辉博士后、Peyman Servati教授和姜锋教授。

图1. 微米级纤维-壳聚糖/纳米纤维素湿度驱动器的结构和工作原理及驱动性能展示。

通过多尺度纤维素纤维的组合，构建具有不对称多孔结构的驱动器，以实现水汽在驱动器内部的定向传输。该设计引入质子化的壳聚糖以增强层间界面的结合强度，从而确保驱动器在反复接触水汽时保持稳定的驱动性能。当水汽接触到亲水性较弱的微米级纤维-壳聚糖层时，由于微米级纤维之间的孔隙结构较大，水汽被有效引导至另一层。同时，亲水性更强的纳米纤维素层能够迅速捕捉并扩散水汽至其表面，从而在驱动器内部建立湿度梯度，确保驱动性能的持续稳定（如图1所示）。

图2. 微米级纤维-壳聚糖/纳米纤维素湿度驱动器的结构和表面润湿性能表征。

扫描电镜图像揭示了驱动器上下层显著的结构差异以及层间的紧密结合。微米级纤维-壳聚糖层表现出较大的孔隙结构、低润湿性和较高的水汽流动性，而纳米纤维素层则具有致密的微观结构和高润湿性，能够同时吸附与脱附水蒸气。上下层间微纳米结构的协同效应与独特的表面润湿性赋予驱动器持续、定向的水汽传输能力，从而确保了驱动器在湿度变化环境下实现快速而稳定的驱动性能（如图2所示）。

图3. 微米级纤维-壳聚糖/纳米纤维素湿度驱动器的响应性能表征。

与文献中报道的一些湿度驱动器相比，这种具有分级结构的驱动器由于其定向水汽传输机制，表现出显著的快速响应性能。此外，其温度依赖性行为进一步表明该驱动器在不同温度条件下的快速且稳定的驱动潜力，展示了其在多种热环境中的应用前景（如图3所示）。

图4. 微米级纤维-壳聚糖/纳米纤维素湿度驱动器的可回收性及可生物降解性表征。

由于驱动器上下层间静电相互作用的可逆性，经氢氧化钠处理后，纳米纤维素层能够轻易与微米级纤维-壳聚糖层分离。在循环回收3次后，驱动器的驱动性能依然保持稳定，弯曲角度保留率达97%，且响应时间基本无变化。此外，驱动器的所有组分均为可生物降解材料，埋入土壤两周后能够完全降解，显示出良好的环境友好性（如图4所示）。

图5. 微米级纤维-壳聚糖/纳米纤维素湿度驱动器的实际应用展示。

实际应用研究表明，该湿度驱动器可应用于智能织物，在人体出汗时驱动器自动打开以增强空气对流，从而促进汗液蒸发与人体降温。此外，该驱动器还可用作非接触式电开关，进一步拓展了其应用场景（如图5所示）。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04103

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（责任编辑：xu）

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