先進(jìn)功能材料：3D打印纖維素基復(fù)合智能纖維和織物

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

纖維材料具有來(lái)源廣泛和力學(xué)性能優(yōu)異的特點(diǎn)，是未來(lái)材料科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域的重點(diǎn)方向之一。然而，目前的纖維材料往往在結(jié)構(gòu)組成和功能上表現(xiàn)較為單一，限制了其更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)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(lái)智能可穿戴紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用。除此之外，如何通過(guò)簡(jiǎn)便的制備方法來(lái)高效制備具有智能響應(yīng)作用的纖維材料及其織物，并實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境中的多重刺激響應(yīng)性，也是目前亟待解決的一大難題。

為克服以上難題，同濟(jì)大學(xué)附屬第十人民醫(yī)院陳峰研究員團(tuán)隊(duì)與北京林業(yè)大學(xué)馬明國(guó)、上海大學(xué)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)了連續(xù)、穩(wěn)定的宏觀納米纖維素膠體纖維的制備；并通過(guò)適量MXene的加入，顯著提高了復(fù)合纖維的力學(xué)性能和導(dǎo)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(jié)構(gòu)的MXene/納米纖維素復(fù)合漿料非常簡(jiǎn)便的3D打印成多種復(fù)雜形狀的纖維織物（圖2）。

圖1. (a) 智能纖維織物的制備過(guò)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(fù)合漿料在乙醇中成型；(g) 干燥后的納米纖維素/MXene復(fù)合纖維

圖2. (a-f) 復(fù)合漿料在乙醇中被3D打印成多種形狀；(g) 復(fù)合纖維的元素分布圖；(h) 復(fù)合纖維的原子模型圖
研究表明，制備的MXene/納米纖維素復(fù)合的智能纖維和織物具有優(yōu)異的光熱和電熱響應(yīng)能力（圖3）。并且，隨著近紅外光強(qiáng)度和輸入電壓的提高，纖維織物的響應(yīng)能力越明顯。當(dāng)打印的復(fù)合纖維織物被組裝成傳感器時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的手指彎曲、手腕彎曲、吞咽、發(fā)音等運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這種新型的智能纖維在可穿戴加熱紡織品、人體健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)界面等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖3. (a,b) 復(fù)合纖維的光熱轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)圖；(c,d) 復(fù)合纖維的電熱轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)圖和熱成像圖；(e,f) 智能纖維織物傳感器對(duì)人體手指彎曲和吞咽運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
以上研究工作以”MXene-Reinforced Cellulose Nanofibril Inks for 3D-Printed Smart Fibres and Textiles”為題在線(xiàn)發(fā)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(guó)教授和張娟副教授。

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