南洋理工大学魏磊团队Nature子刊:基于溶芯热拉法制备超弹性纤维的自供电多功能传感系统

【引言】

热拉制纤维工艺发展于制备传统光纤，目前已经被广泛应用于各种功能性纤维的大规模制备，可拉制的材料包括玻璃、半导体、金属、高分子材料等，并在传感、能量收集与转换、人机接口等诸多领域取得了突破性进展，已经实现了例如光学传感，神经传感，化学传感等多功能传感。由于热拉制纤维工艺具有高稳定性，良好的材料与结构兼容性，可以将多种材料和功能集成，也使之有望用于大规模制备柔性电子器件。目前柔性电子器件工作原理主要基于压阻效应，电容监测，压电效应等，以及最近提出的摩擦纳米发电机(TENG)技术。结合纤维的易加工、防水等优势，如果将功能性纤维制作成柔性电子器件，则可以实现纺织型可穿戴柔性电子器件。柔性电子器件普遍具有高动态弯曲弹性和可拉伸性能，良好的机械强度，适用的材料多为低弹性模量低粘滞系数的高分子材料。热拉工艺要求拉制的材料在拉制温度下保持一定的粘滞系数，而用于柔性电子的热塑性材料在加热时普遍具有粘滞系数低、粘性高的特点，因此如何在加工时保持特定的结构仍是一个挑战。

近日，新加坡南洋理工大学魏磊教授团队（通讯作者）成功开发了一种通用的两步溶芯热拉制方法，使热拉制“预制棒-纤维”这种工艺在保持纤维结构的基础上可以加工更多的柔性、弹性高分子材料，扩展了这种工艺可以应用的材料范围，利用PVA具有的合适的粘滞性和水溶性，一些低粘滞系数的功能材料（例如，低模量的SEBS, 实验室合成的凝胶类材料）也可以被拉制成特定形状的纤维。具体来讲，首先将SEBS-PVA 壳-芯结构的预制棒拉制成特定形状的纤维，然后将纤芯溶解获得中空结构的SEBS纤维。将液态金属注入纤芯并连接导线，这样导电的超弹性纤维即可作为TENG传感器件用于收集各种运动信息。这种方法制备的超弹性导电纤维在被拉伸值19倍时仍可保持导电性，可以承受1.5kg哑铃从0.8m高度自由落体的冲击。由于其柔软的超适应性，可以贴附在各种形状的物体表面采集信息，尤其适用于贴附在运动器材上对运动表现进行监测。研究人员将这种纤维以网状贴附在二维形状的棒球手套和三维形状的足球上进行初步验证，它可以承受棒球的冲击，也可以在足球上通过球坐标来构建传感网络。另外由于本身具有良好的防水性，本工作中进一步将其用于溶液体系离子运动变化的探测，展示其在大面积海底探测中的应用前景。相关研究成果以“Self-powered multifunctional sensing based on super-elastic fibers by soluble-core thermal drawing”为题发表在Nature Commun.上。

【图文导读】

图一、通过溶芯热拉法制作超弹性导电纤维

（a）通过注塑机将PVA粒料重塑成不同形状的芯材；

（b）用SEBS膜紧密包裹不同形状的PVA芯材；

（c）真空加热固合后得到预制棒；

（d）热拉制纤维过程的示意图；

（e）不同形状的纤维溶芯前后的截面图；

（f）所得纤维的照片；

（g）纤维表面上制备的微米结构；

（h）超柔导电纤维展示；

图二、超弹性导电纤维作为TENG来收集机械能

（a）测试平台的示意图；

（b）超可拉伸TENG纤维的工作机理；

（c）纤维在无应变和1000%应变工作条件下的仿真。

图三、纤维TENG的电学输出信号与纤维数目和拉伸长度的关系

（a）纤维在0、200、600和1000％应变时纤维的开路电压；

（b）纤维在0、200、600和1000％应变下的短路电流；

（c）纤维在0、200、600和1000％应变下的转移电荷量；

（d-f）分别从a-c提取不同应变下，不同数量纤维的电压，电流和转移电荷的峰值。

图四、超弹性导电纤维的可拉伸性和耐久性

（a）在拉伸19倍情况下依然导电；

（b）左：可以承受1.5kg哑铃从0.8m高度自由落体的冲击；右：可承受人体步行引起的冲击和变形；

（c）SEBS，PTFE和硅胶中空纤维的可拉伸性试验；

（d）对SEBS，硅胶和PTFE中空纤维进行DMA测试，获得对应的杨氏模量分别为1.6、5.8和204.1MP；

（e）外接不同负载时的功率密度；

（f）进行了0、2500、5000和8000次接触分离循环时的电流输出，证明了超弹性导电纤维的耐用性。

图五、超弹性导电纤维的形状适应性（a-e）可以完美贴合不规则形状的棒球手套和三维立体的球体；

（f-k）在足球表面利用超弹性纤维构建一个球坐标探测系统，来收集球体表面不同位置被触碰时的信号。经过信号分析，可以准确显示被触碰过的坐标点。

图六、超弹性导电纤维用于探测溶液中的离子运动

通过电化学工作站设定的电信号（0.8 V, 0.4 V, 0.2 V直流信号）来控制溶液中离子的运动变化，研究不同因素对探测结果的影响。

（a，b）探究导电纤维浸没长度对探测到的信号的影响；

（c，d）探究不同溶质类型对探测信号的影响；

（e）14厘米长的纤维在不同溶液浓度和不同信号下的探测结果总结；

（f）探测原理示意。

【小结】

综上所述，本文用溶芯法制备了具有强可拉伸性的SEBS中空纤维，再将液态金属注入内芯以获得超弹性导电纤维。基于表面接触产生的摩擦起电效应和静电感应原理，此超弹性导电TENG纤维可以贴附在2D和3D表面上，用作自供能传感器，同时承受瞬时冲击。由于纤维器件本身具有良好的防水性能和易封装的优点，研究人员进一步利用超弹性导电纤维在不同溶液中探测离子运动变化。揭示了其用作水下自供能探测器的潜力。这种新的纤维制作方法使得热拉制法可以用来拉制更多结构的弹性材料纤维，热拉制纤维与TENG技术的结合，也给软材料电子器件的纤维化和大面积集成提供了一条可行的途径，更多水下应用也可以由此进一步开发。

文献链接：“Self-powered multifunctional sensing based on super-elastic fibers by soluble-core thermal drawing”(Nature Commun.，10.1038/s41467-021-21729-9)

【团队介绍】

魏磊，新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院副教授。2005年本科毕业于武汉理工大学，2011年博士毕业于丹麦科技大学，2010-2014年在美国麻省理工学院进行博士后研究，2014年加入新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院任南洋助理教授，2019年升任副教授，2018年起任新加坡南洋理工大学光纤技术研究中心主任。主要从事光纤传感、纤维光电子器件、复合材料纤维、智能织物、生物光纤交互和纤维内能量的产生和收集等方面的研究。在Nature、Nature Biotechnology、Nature Photonics、Advanced Materials 和 Nature Communications等学术期刊上发表论文100多篇。

课题组链接：www.leiweigroup.com

【相关优质文献推荐】

Designer patterned functional fibers via direct imprinting in thermal drawing, Nature Communications 11, 3842 (2020).

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17674-8

Elastic and stretchable functional fibers: a review of materials, fabrication methods, and applications, Advanced Fiber Materials 3, 1-13 (2021).

https://link.springer.com/article/10.1007/s42765-020-00057-5

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