可拉伸纤维微流控纺丝！ Science Advances：通过水凝胶辅助流体和界面自适应

以下文章来源于柔性电化学 ，作者哥尼亚是

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可拉伸聚合物纤维具有巨大的潜力，但其生产需要严格的环境控制和相当大的资源消耗。对于高性能但可纺性差的弹性聚合物，如聚二甲基硅氧烷和Ecoflex等有机硅，这也是一个挑战。基于此，西安交通大学仿生工程与生物力学研究所徐峰团队提出了一种水凝胶辅助微流控纺丝 （HAMS） 方法，通过将水凝胶辅助微流控纺丝 （HAMS） 方法将其预聚物封装在任意长、保护性和可牺牲的水凝胶纤维中来应对这些挑战。通过设计简单的设备并操纵油/水流的流体和界面自适应，我们成功地生产出具有广泛可控直径（0.04 至 3.70 毫米）、显着长度、高质量（例如，光滑表面、全长均匀性和圆形截面）和显着拉伸性（高达 1300%）的纤维，无论可纺性如何。独特的是，这种方法可以轻松、有效和可控地生产具有出色拉伸性和机械柔韧性的螺旋纤维的整形。深入揭示了这些纤维的生产机制，并展示了它们作为纺织部件、光电器件和致动器的潜力。HAMS方法将成为大规模生产高质量可拉伸纤维的有力工具。研究成果以题为“Hydrogel-assisted microfluidic spinning of stretchable fibers via fluidic and interfacial self-adaptations”的发表在最新一期的《Science Advances》上

研究内容

设计、制造和表征

通过处理使用最广泛的PDMS，SYLGARD，验证了HAMS方法的可行性。使用合适的同轴针和芯的流速（Q核） 和 shell （Q壳）流，可以稳定地形成芯/壳纤维（图1D）。芯纤维固化后，水凝胶壳因CaCl2而变薄介导的渗透压（图1E），并且可以轻松且完全地去除以获得PDMS纤维（图1F）。由不同同轴针制成的不同直径的除壳PDMS纤维都具有较长的长度（图1G）和高质量的结构，包括全长均匀性、光滑表面和圆角截面（图1J）。

HAMS方法能够从具有不同粘度的SOP中制造纤维

研究岩心流粘度（μ的影响C） 在纤维纺丝上，液体 SYLGARD 184 PDMS （PDMSLIQ）和触变性SE 1700 PDMS（PDMS）被处理。通过其他SOP进一步验证了HAMS方法的适用性，包括Ecoflex、中性硅胶、单组分PU、双组分PU和碳纳米管（CNT）复合PDMSLIQ的 (图2H）。这些聚合物的除壳纤维是均匀的，并且直径与预聚物粘度呈负变化（图2I）。上述所有除壳纤维都表现出优异的拉伸性（233 至 1132%）、宽范围的杨氏模量（0.1 至 67.0 MPa）和拉伸强度。

流体和界面自适应介导SOP旋转机制

尽管低粘度油在水凝胶纤维中的封装已经得到了很好的研究。此外，高质量的纤维结构是优化可拉伸纤维的机械性能和功能的关键。因此，研究这种HAMS方法的机理和优化策略非常重要。

低μ的SOPC可以根据 Q 形成球体或连续纤维核心/Q壳 ：在 0.07 时，球体在针尖附近形成;在0.23时，岩心流在形成球体之前保持连续，其中连续长度与Q呈正相关核心（图 S19）;在 0.34 时，挤出后芯流偶尔会在长距离（5 至 10 cm）中断。更高的 Q 值核心/Q壳> 0.4 最终导致连续纤芯。通过模拟纺制纤维中的两相流动状态进一步研究了相关的力学行为（图.3D和图S20）。不同Q值下封装几何结构的相似结果核心/Q壳可以观察到。问核心/Q壳还影响芯的流速（V核） 和（V壳） 流体。特别是，不相等的初始 V核心和 V壳挤出后可迅速变得相等。

整形可实现螺旋纤维结构并改善机械性能

通过 HAMS 方法制造的纺成纤维具有保护性和柔韧的水凝胶壳和未固化的芯流，这使得其结构具有独特的重塑能力，例如屈曲结构（例如，螺旋状或蛇形），以获得良好的机械性能和功能 。通过将纺成的纤维包裹和固化在棒状模板上，然后去除水凝胶外壳，可以制造屈曲的PDMS纤维，但只能制造重塑的PDMS这纤维保持光滑的表面和相对圆润的截面。

通过从 CaCl 中提升纺出的纤维，可以轻松有效地重塑螺旋结构2溶液并缠绕在棒模板上，从而产生结构均匀、尺寸范围广和拉伸性优异的螺旋纤维（图 4、B 和 C）。因此，进一步研究了控制PDMS螺旋结构的因素这纤维（图 4，D 至 F）：（i） T壳对螺旋外半径（RH-O） 和间隔 （IH);（ii） 杆径 （D杆）导致宽范围和正变化的RH-O和负变化的长轴纤维直径（DCF-LA型);（iii）起升高度导致正变化DCF-LA型，这进一步影响了 RH-O和我H;（iv）杆倾角度（Deg）可控制IH;及 （v） DCF型和 D杆共同导致具有各种尺寸的螺旋纤维。与直接PDMS相比这纤维（552%），这些螺旋纤维表现出大大增强的拉伸性，与D呈正相关杆（1500% 至 12,900%）和卓越的机械柔顺性，因为螺旋纤维的展开依赖于弯曲模量而不是拉伸模量（图 4，G 和 H）。因此，这种基于HAMS的整形方法为生产极易拉伸的螺旋纤维提供了一种广泛可控的方法。

可拉伸PDMS光纤可用作致动器和光电器件

为了证明HAMS方法的可靠性和应用潜力，我们以一些基于SOP的除壳纤维的功能为例进行了研究。高度可拉伸、柔软和微小的 PDMS这螺旋纤维适用于构建磁驱动致动器，只需用磁性颗粒（例如，Fe3O4), 在弱磁场下，这种光纤致动器可以在类似容器的通道内顺应伸长，以挽救像软机器人一样的目标。去除磁场后，它可以主动弹回，然后像“狗绳”一样被动地拉回来。该执行器还可以通过 180° 弯曲的通道（图 S28）。由于磁致动器和机器人因其精细的刺激响应行为以及有机硅的软机械性能和生物惰性而具有吸引力，因此HAMS方法在开发可在容器内工作的螺旋纤维致动器或机器人方面具有巨大潜力。

它们的抵抗力精确地响应不同应变的周期性拉伸（图5L）和手指弯曲动作（图5M）。然而，尽管保持了手指的弯曲度，但纤维电阻却不断降低。这可能是由于基于CNT的纤维导电网络在静态状态下逐渐重新连接，这通常存在于基于CNT的电阻机械传感器中，并且使它们更适合检测连续信号而不是间歇信号。因此，直 CNT/PDMSLIQ的纤维是监测关节和骨骼肌连续运动的理想选择，尤其是以轻巧和无线的方式。这些结果表明，这种HAMS方法在生产基于直光纤的可穿戴应变传感器和基于螺旋纤维的超拉伸导体方面具有应用潜力。

小结

开发了一种用于生产基于 SOP 的可拉伸纤维的 HAMS 方法。该HAMS方法在自主设计简单而巧妙的装置和深入研究的纺丝机理的基础上，成功地利用管成型和微流控纺丝方法的原理，实现了高质量SOP基拉伸纤维的批量生产。值得注意的是，无论SOP可纺性如何，都可以控制实现极宽的直径范围（0.04至3.70 mm）。这些优势很难通过现有的纺丝技术同时实现，特别是在依赖简单的设备和控制、加工不可纺的聚合物或生产超薄或超厚可拉伸纤维时。独特的是，我们的方法是唯一已知的方法，能够长时间保持纤维的完全未固化状态，这为简单、有效和可控地生产具有卓越机械性能和有趣功能的螺旋纤维铺平了道路。此外，该方法可以在不熔化或溶解聚合物的情况下进行，分别消耗大量能源或有机溶剂，使其经济环保。对于纤维的大规模应用，高生产效率仍是关键，这与纤维质量同样重要。然而，由于SOPs的固化过程较慢，它们之间存在着天然的冲突，固化时间缩短的预固化SOPs可以改善热浴纺丝方法的可纺性和圆角截面，但反过来，在实现超长纤维长度和全长均匀性方面表现出更短的操作时间。HAMS方法解决了这一冲突。虽然这里的实验室级设备只能以每小时几十米的速度自动生产基于SOP的纤维，并且涉及固化和脱壳程序，但HAMS方法的效率可以进一步提高。例如，使用快速固化的预聚物以及双组分注射器和混合头，或加热 CaCl2溶液，可加速固化过程工业化设备在连续光纤上有序地实现整个HAMS程序可能是可行的。因此，我们认为HAMS方法具有发展成为大规模生产纺纱技术的巨大潜力。

转自：“i学术i科研”微信公众号

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