雜化纖維
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-10-19
雜化纖維的實(shí)例教程
有機(jī)/無機(jī)雜化纖維 (OIHFs) 是一種柔性的一維材料，具有相對較高的縱橫比（>100，? < 100 μm）和離散的有機(jī)/無機(jī)物種。因其固有的高比表面積和柔韌性、各向異性、可調(diào)節(jié)的化學(xué)成分和可控的雜化結(jié)構(gòu)，在各種電化學(xué)能源應(yīng)用中引起了極大的關(guān)注。OIHFs不僅結(jié)合了有機(jī)和無機(jī)組分的固有優(yōu)勢，還由于有機(jī)和無機(jī)成分之間的協(xié)同相互作用產(chǎn)生了一些新特性。有機(jī)纖維基體具有大比表面積、高柔韌性、低密度以及獨(dú)特的各向異性，被認(rèn)為是摻入各種無機(jī)成分的理想基材。無機(jī)組分，如雜原子、金屬（或非金屬）納米粒子及其化合物可以通過不同的形式與纖維基質(zhì)結(jié)合，從而賦予有機(jī)纖維基體優(yōu)越的電化學(xué)性能。
近日，東華大學(xué)楊建平教授團(tuán)隊(duì)與朱美芳院士、伍倫貢大學(xué)Jun Chen教授合作，在《Advanced Science》期刊撰寫了題目為“Organic/Inorganic Hybrid Fibers: Controllable Architectures for Electrochemical Energy Applications”的綜述論文。
圖1. OIHFs 的代表性結(jié)構(gòu)和發(fā)展概圖
文章全面概述了OIHFs的先進(jìn)合成方法、可調(diào)的結(jié)構(gòu)特征與電化學(xué)性能之間的關(guān)系。首先定義了雜化纖維的基本概念，并討論了其組成、特性以及表征方法。通過對整體、內(nèi)部和界面結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，詳細(xì)描述了OIHFs的可控合成。
展開 （圖1.硅-纖維素復(fù)合氣凝膠制備流程及多級形貌圖）
基于研究組提出的有機(jī)無機(jī)多尺度多維度雜化理論和近年的工作基礎(chǔ)，圍繞國家新型戰(zhàn)略性材料發(fā)展，以輕質(zhì)、柔性、高絕熱性材料為研究目標(biāo)，將軟且韌的有機(jī)納米纖維引入硬且脆的無機(jī)硅網(wǎng)絡(luò)中，通過跨尺度（分子-納米-微米）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，獲得宏觀具有高柔韌性和高絕熱性的纖維復(fù)合氣凝膠材料。多尺度“軟-硬”協(xié)同雜化策略如圖1：分子尺度上，采用低交聯(lián)密度的硅源增加硅網(wǎng)絡(luò)的韌性；納米尺度上，利用纖維素納米纖維和硅網(wǎng)絡(luò)界面間的強(qiáng)結(jié)合能力確保材料的機(jī)械完整性；微米尺度上，通過纖維橋聯(lián)復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的高孔性和柔韌性。采用該策略設(shè)計(jì)的纖維復(fù)合氣凝膠在國防軍工、航空航天、能源管理、民用保暖等領(lǐng)域都有較為廣闊的應(yīng)用前景。
（圖2. “軟-硬雜化”纖維復(fù)合氣凝膠（BC-Si）的拉伸穩(wěn)定性及高柔性）
該納米纖維-硅復(fù)合氣凝膠具有極低的熱導(dǎo)率15.3 mW m?1 K?1，孔隙率高達(dá)93.6%，比表面積達(dá)660 m2g?1，可支撐起高于其本身質(zhì)量4個(gè)數(shù)量級的重物，并可進(jìn)行彎折，卷曲，折疊等，且能夠隨意裁剪（圖2）。基于柔性復(fù)合氣凝膠優(yōu)異的絕熱性能（圖3），進(jìn)一步，制備了具有電熱-絕熱一體化雙模式的高效熱管理器件，極大提高能量利用效率。基于纖維復(fù)合氣凝膠優(yōu)異的疏水性和高度多孔性，這一材料還可以應(yīng)用于環(huán)境污染物處理等重點(diǎn)領(lǐng)域。
（圖3.“軟-硬雜化”纖維復(fù)合氣凝膠的高絕熱性能）
該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市科技創(chuàng)新行動計(jì)劃、上海市自然科學(xué)基金（探索類）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
來源：高分子科學(xué)前沿
展開 圖
5：PANI-6/PMON混合凝膠纖維集成織物用于監(jiān)測人體運(yùn)動和壓力感應(yīng)的柔性陣列傳感器的實(shí)時(shí)相對電阻變化。
圖
6
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在液體環(huán)境中對PANI-6/PMON雜化凝膠纖維的機(jī)械感測。
【總結(jié)】
團(tuán)隊(duì)提出了具有異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)韌導(dǎo)電性
PANI/PMON雜化凝膠纖維，以實(shí)現(xiàn)感覺功能。得益于多分子相互作用以及協(xié)同的疏水性和親水性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此類混合凝膠纖維具有機(jī)械耐久性，液體環(huán)境穩(wěn)定性和寬應(yīng)變響應(yīng)性能，然后可以有效且協(xié)同地集成到基于凝膠纖維的柔性可穿戴傳感器中。
值得注意的是，這些基于混合凝膠纖維的傳感器不受復(fù)雜液體環(huán)境（例如水和鹽水）的干擾，有助于在空氣/潮濕條件下穩(wěn)定，超靈敏地實(shí)時(shí)監(jiān)測人體運(yùn)動和生理信號。
團(tuán)隊(duì)
非常希望這樣的PANI/PMON混合凝膠纖維能夠很好地用作可穿戴和植入式傳感器，用于健康監(jiān)
測，創(chuàng)新的電子產(chǎn)品和人機(jī)交互。
參考文獻(xiàn)
：
doi.org/10.1039/D1TA02422A
版權(quán)聲明
：「
高分子材料科學(xué)
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展開 從圖3(a)熒光光譜中可以看到PPFOH/PVK聚合物纖維有兩個(gè)發(fā)射區(qū)域：440~460 nm的藍(lán)光發(fā)射和520~550 nm的綠光發(fā)射，前者主要來源于PPFOH芴基主鏈的發(fā)射，后者則主要?dú)w功于聚芴分子鏈間聚集體的發(fā)射。隨著PPFOH與PVK質(zhì)量比的增加，PPFOH/PVK聚合物共混纖維低能帶發(fā)射逐漸增強(qiáng)(520~550 nm)而深藍(lán)光發(fā)射(440~460 nm)明顯減弱，這說明隨著共混PPFOH含量增加，聚芴內(nèi)部從高能發(fā)射帶向低能發(fā)射帶的能量轉(zhuǎn)移逐漸增強(qiáng)。同時(shí)，隨著PPFOH與PVK的共混比例的增加，PPFOH/PVK纖維中PPFOH聚合物鏈之間的聚集程度會隨著其含量的增加而增強(qiáng)，從而產(chǎn)生從PPFOH單鏈(藍(lán)色發(fā)射)到鏈聚集體或激基締合物(綠色發(fā)射)更為高效的能量轉(zhuǎn)移。通過調(diào)控能量轉(zhuǎn)移，隨著PPFOH含量的增加，綠-黃光發(fā)射強(qiáng)度增加，同時(shí)，藍(lán)光發(fā)射強(qiáng)度減弱，實(shí)現(xiàn)對復(fù)合纖維發(fā)光顏色的精準(zhǔn)調(diào)控。從圖3(b)色坐標(biāo)中可以看出PPFOH/PVK聚合物纖維發(fā)光顏色可以從深藍(lán)色(0.18, 0.17)調(diào)到天藍(lán)色(0.24, 0.26)再到近白光(0.26, 0.30)、藍(lán)綠色(0.31, 0.32)、綠色(0.30, 0.37)以及黃色(0.42, 0.40)。
圖3
(a)PPFOH/PVK
聚合物纖維的熒光光譜圖和
(b)
對應(yīng)的色坐標(biāo)圖
在制備上述多色發(fā)射的PPFOH/PVK纖維基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步制作了纖維基二極管(如圖4中插圖所示)，二極管通道約100μm，并測定了單根PPFOH/PVK聚合物纖維的I-V曲線(圖4)。研究表明，PPFOH/PVK聚合物纖維顯示出典型的半導(dǎo)體導(dǎo)電特性，且隨著PPFOH含量的增加，纖維導(dǎo)電性越來越高。
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圖
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凝膠纖維的結(jié)構(gòu)和組成表征。
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3. PANI/PMON雜化凝膠纖維的機(jī)械性能。
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4. PANI-6/PMON混合凝膠纖維的機(jī)械-電氣響應(yīng)。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352431621001115
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