納米纖維或纖維微反應(yīng)器近年來因其在組織工程，傳感器和可穿戴設(shè)備中具有重要的應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。如何通過簡單的方式將一維（1D）纖維材料轉(zhuǎn)變成多維有序結(jié)構(gòu)材料具有重要的研究和應(yīng)用意義，亦是該領(lǐng)域挑戰(zhàn)性研究課題之一。目前，纖維編織（1D纖維轉(zhuǎn)變成多維纖維織物）主要基于物理編織過程，基于纖維材料之間固有作用力的編織過程鮮少報(bào)道。

基此，南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、化工學(xué)院陳蘇教授團(tuán)隊(duì)在國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金的資助下，以微流控紡絲技術(shù)為手段原位合成了自愈合凝膠纖維，并利用原纖維間的自愈合作用力實(shí)現(xiàn)了1D纖維到多維織物的編織。該研究成果以“Microfluidic-DirectedHydrogel Fabrics Based on Interfibrillar Self-Healing Effects”為題發(fā)表在國際材料頂級期刊《Chemistry of Materials》（Qing Li, Zhi Xu,Xiafang Du, Xiangyun Du, Hengyang Cheng, Guan Wu, Cai-Feng Wang, Zhanfeng Cui,and Su Chen*, 2018, DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b03579）上。

研究者通過分子設(shè)計(jì)，利用國內(nèi)南京捷納思微流體紡絲機(jī)原位合成了自愈合凝膠纖維（圖1、圖2、附圖）。微流體紡絲技術(shù)由于其簡單，高效，靈活的可控性和環(huán)境友好的化學(xué)過程為凝膠纖維和纖維微反應(yīng)器的連續(xù)化構(gòu)造提供了強(qiáng)大的平臺。基于主客體作用力，凝膠纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的自愈合性能。研究者巧妙地利用自愈合凝膠纖維作為組裝單元，借助原纖維間的固有的超分子作用力，實(shí)現(xiàn)了多維纖維織物的簡單快速構(gòu)筑（圖3），織物具有良好的柔性、可拉伸性能和較高的機(jī)械性能。此外，研究者將凝膠纖維與導(dǎo)電納米材料相結(jié)合，利用該方法成功制備了自愈合復(fù)合導(dǎo)線和超級電容器（圖4）。這項(xiàng)研究成果為多維纖維結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)和快速構(gòu)筑提供了一種新思路。

圖文導(dǎo)讀

圖1自愈合纖維及織物制備示意圖

 a)   單體的化學(xué)結(jié)構(gòu)和P（β-CD-VI-co-HPA）水凝膠的合成的示意圖；b) 在多維接觸微反應(yīng)器中形成水凝膠，例如1D-0D液滴，1D-1D點(diǎn)陣和纖維微反應(yīng)器； c) 自愈合纖維編織形成多維材料和超級電容器的示意圖。

 

圖2微反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和水凝膠纖維的表征

 a)在1D-0D液滴微反應(yīng)器中形成超分子P（β-CD-VI-co-HPA）水凝膠的示意圖； b,c) 分別通過UV誘導(dǎo)聚合形成的b) 珠節(jié)狀和c) 圓柱形纖維的光學(xué)顯微照片，比例尺為500μm；d,e) 在1D-1D點(diǎn)陣和纖維微反應(yīng)器中制備超分子水凝膠的示意圖； f) 網(wǎng)格和g) 纖維水凝膠纖維的光學(xué)圖像; h) PVP和i) P（β-CD-VI-co-HPA）/PVP的SEM圖像; j) 去除PVP和未反應(yīng)單體后的P（β-CD-VI-co-HPA）水凝膠的SEM圖像。

圖3自愈合纖維自組裝構(gòu)筑纖維織物

 a)纖維內(nèi)部和b) 纖維間自愈過程的示意圖; c) 水凝膠纖維的自愈合行為; d-f) 自愈合纖維形成的多維材料的組裝：d) 3D，e) 3D螺旋和f) 2D平面結(jié)構(gòu); g) 照片顯示基于主客體相互作用通過無紡紡絲制造的織物圖（比例尺= 1cm）。

 

圖4自愈合復(fù)合導(dǎo)線和超級電容器的構(gòu)筑

 a)   自愈合導(dǎo)電復(fù)合纖維的制備示意圖；b) 導(dǎo)電復(fù)合線的自愈合示意圖。導(dǎo)線包括RGO-CNT/TPU和包裹的P（β-CD-VI-co-HPA）水凝膠。c) 自愈合導(dǎo)電復(fù)合纖維愈合前后點(diǎn)亮LED的照片。d) 平面形超級電容器的示意圖。電解質(zhì)由P（β-CD-VI-co-HPA）和PVA-H₃PO₄組成。e) 超級電容器為LED供能圖。

 

附圖 微流體紡絲機(jī)

 

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https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.8b03579 來源：高分子科學(xué)前沿