ACS Nano-纳米结构Bijel纤维原位力学性能测试

双连续界面卡乳剂（Bijels）是一类软材料，由通过界面粘合、胶粒干扰形成混合物的亚稳态分离物聚集而成。Bijels有两个互相贯穿且连续的不相容液体网，在它们的界面通过纳米颗粒卡层固定。Bijels独特的结构、机械和传输性能使其在包括医疗、食物、能源以及反应工程等众多领域都有潜在的应用。为了让Bijels在加工和性能方面的潜力得到发挥，对其力学性能的控制就非常有必要。

最近，来自美国宾夕法尼亚大学的研究人员开发了一种基于溶剂转移诱导相变（STRIPS）的新方法，通过微流体平台，其可以从富含液体和纳米颗粒的混合物中连续加工出有层次的Bijels纤维。此外，研究人员引进了一种原位技术，在纤维加工的初始和最终阶段对其力学性能进行测试。通过控制施加在纤维上的水动力压力，纤维一直处在张力状态直至断裂。随后通过对应力场的分析，可以推断出纤维的抗拉强度。随着纳米颗粒含量的变化，纤维的抗拉强度可以高达几千Pa。

该发现拓宽了STRIPS Bijels在不同力学性能要求下的潜在应用领域，而原位力学性能测试技术可以为其它软纤维材料，如水凝胶、毛细管悬浮液、胶态凝胶以及高内相乳液等进行性能测定。

【图文导读】

图1 控制纤维形成，水流经一个直径为300um的圆柱形通道，掺杂纳米颗粒表面活性剂的三元液体混合物由直径为50um的中心喷嘴喷出，经过粘弹性转换器，在相分离和界面粒子干扰上形成Bijel纤维.

（a）当内、外流体流速正好平衡时，形成连续地Bijel纤维

（b）当外部的水流速度增加时，施加在纤维上的剪切应力将导致纤维周期性的间断，形成不连续纤维

图2 纤维长度与形态的可调谐性

（a）纤维成型在同轴微流体通道中的快照，数字对应的是水流速度，单位为mL/h

（b）连续Bijel纤维、Bijel棒以及Bijel滴的三维共焦显微图，黑暗区域对应的是油，亮色区域对应的是水

（c）纤维长度与流量的关系，图中的曲线对应流量组合导致纤维长度恒定（表示为纵横比±标准偏差），曲线由图3a与图S6的实验数据拟合而来，对于每一个流量组合，每一个给定比率的标准偏差都来自至少20个测量数据的计算。

图3 Bijel纤维片段的分析

（a）不同三元流率Q_T，纤维长度L_c与水流量Q_w在的关系：（●）50uL/h，（×）100uL/h，（+）200uL/h. 垂直误差条：纤维长度的标准偏差

（b）纤维长度与剪切应力倒数的关系，由于在低T_rzl_R1下，1/ T_rzl_R1的误差增加、Lc的标准偏差变大，因此只采用         T_rzl_R1>0.6N/m²的数据点来确定线的趋势

（c）纤维抗拉强度与Q_T的关系以及相对灰度（X-轴下面），水平误差条是相对灰度的标准偏差

（d）相对灰度与纤维喷嘴距离之间的关系（相对灰度定义为纤维灰度值除以最终灰度值），所有的实验结果显示硅的重量分数 为0.197g_silica/g_total，相对于最初三元混合物的总体积，溴化十六烷基三甲铵（CTAB）浓度为40mM

图4 成熟工艺Bijel纤维的抗拉强度。纤维特性：在水流速度Q_T下，Bijel纤维片段以一定速度通过长度为5cm的转换通道，进入一个锥形收缩通道（长2200um，进出口直径分别为300和80um）.在邻近收缩处，水流速度增加，对应的局部剪切应力增加，使纤维受到拉伸，导致其在通道中撕裂，对该过程进行分析，可以确定纤维的抗拉强度。

（a）左图：纤维断片在不同时间进入锥形收缩的显微照片；右图：高速视频显微镜下纤维速度随时间的变化

（b）纤维周围水流速度与剪切应力的示意图

（c）纤维断片间断前沿其长度周向瞬时比剪切力曲线（对应上面的显微图像u=190um/ms，Q_w=7mL/h， R₁=19um， β=0.0486，L_ab=1280um，L_bc=1490um，L_cd=700um，纤维中硅的重量分数为0.26 g/g），通过对上述图的曲线进行积分，计算出不同纤维片段的剪切力（kPa）

（d）Bijel纤维在不同纳米颗粒含量下，所测得的抗拉强度σ_c,f。

文献链接：In Situ Mechanical Testing of Nanostructured Bijel Fibers