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不列顛哥倫比亞大學(xué)姜鋒教授、Peyman Servati教授《Nano Letters》：殼聚糖改性纖維素多孔結(jié)構(gòu)用于可回收、高靈敏濕度驅(qū)動(dòng)器及自動(dòng)冷卻紡織品
2024-11-01  來源：高分子科技

  具備可編程性、刺激響應(yīng)性和快速響應(yīng)特性的濕度驅(qū)動(dòng)器近年來備受關(guān)注。盡管傳統(tǒng)聚合物材料能夠?qū)崿F(xiàn)上述性能，但其在可穿戴系統(tǒng)中的應(yīng)用仍面臨生物相容性和生物降解性欠佳等限制。由于纖維素良好的親水性及可生物降解性，纖維素基濕度驅(qū)動(dòng)器作為潛在替代材料，已引起廣泛研究，但其響應(yīng)速度較慢、穩(wěn)定性及界面粘附力不足等問題仍亟待解決。


  近日，不列顛哥倫比亞大學(xué)姜鋒教授團(tuán)隊(duì)和Peyman Servati教授合作，利用殼聚糖改性微米級纖維素纖維結(jié)合TEMPO氧化納米纖維素，構(gòu)建了一種雙層結(jié)構(gòu)的濕度驅(qū)動(dòng)器。質(zhì)子化的殼聚糖與呈負(fù)電性的納米纖維素之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電吸引，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固的界面結(jié)合。不同尺度的纖維素纖維構(gòu)建出分級多孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用兩種纖維親水性的差異，形成有效的潤濕梯度，賦予驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)定且快速的濕度驅(qū)動(dòng)性能。該研究成果以“Recyclable Chitosan-Modified Cellulose Fiber Porous Structure for Sensitive and Robust Moisture-Driven Actuators and Automatic Cooling Textiles”為題發(fā)表于期刊《Nano Letters》，不列顛哥倫比亞大學(xué)博士研究生朱嘉瑩為論文的第一作者，通訊作者為朱朋輝博士后、Peyman Servati教授和姜鋒教授。


圖1. 微米級纖維-殼聚糖/納米纖維素濕度驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和工作原理及驅(qū)動(dòng)性能展示。


  通過多尺度纖維素纖維的組合，構(gòu)建具有不對稱多孔結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)水汽在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的定向傳輸。該設(shè)計(jì)引入質(zhì)子化的殼聚糖以增強(qiáng)層間界面的結(jié)合強(qiáng)度，從而確保驅(qū)動(dòng)器在反復(fù)接觸水汽時(shí)保持穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)性能。當(dāng)水汽接觸到親水性較弱的微米級纖維-殼聚糖層時(shí)，由于微米級纖維之間的孔隙結(jié)構(gòu)較大，水汽被有效引導(dǎo)至另一層。同時(shí)，親水性更強(qiáng)的納米纖維素層能夠迅速捕捉并擴(kuò)散水汽至其表面，從而在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部建立濕度梯度，確保驅(qū)動(dòng)性能的持續(xù)穩(wěn)定（如圖1所示）。


圖2. 微米級纖維-殼聚糖/納米纖維素濕度驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和表面潤濕性能表征。


  掃描電鏡圖像揭示了驅(qū)動(dòng)器上下層顯著的結(jié)構(gòu)差異以及層間的緊密結(jié)合。微米級纖維-殼聚糖層表現(xiàn)出較大的孔隙結(jié)構(gòu)、低潤濕性和較高的水汽流動(dòng)性，而納米纖維素層則具有致密的微觀結(jié)構(gòu)和高潤濕性，能夠同時(shí)吸附與脫附水蒸氣。上下層間微納米結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)與獨(dú)特的表面潤濕性賦予驅(qū)動(dòng)器持續(xù)、定向的水汽傳輸能力，從而確保了驅(qū)動(dòng)器在濕度變化環(huán)境下實(shí)現(xiàn)快速而穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)性能（如圖2所示）。


圖3. 微米級纖維-殼聚糖/納米纖維素濕度驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)性能表征。


  與文獻(xiàn)中報(bào)道的一些濕度驅(qū)動(dòng)器相比，這種具有分級結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器由于其定向水汽傳輸機(jī)制，表現(xiàn)出顯著的快速響應(yīng)性能。此外，其溫度依賴性行為進(jìn)一步表明該驅(qū)動(dòng)器在不同溫度條件下的快速且穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)潛力，展示了其在多種熱環(huán)境中的應(yīng)用前景（如圖3所示）。


圖4. 微米級纖維-殼聚糖/納米纖維素濕度驅(qū)動(dòng)器的可回收性及可生物降解性表征。


  由于驅(qū)動(dòng)器上下層間靜電相互作用的可逆性，經(jīng)氫氧化鈉處理后，納米纖維素層能夠輕易與微米級纖維-殼聚糖層分離。在循環(huán)回收3次后，驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能依然保持穩(wěn)定，彎曲角度保留率達(dá)97%，且響應(yīng)時(shí)間基本無變化。此外，驅(qū)動(dòng)器的所有組分均為可生物降解材料，埋入土壤兩周后能夠完全降解，顯示出良好的環(huán)境友好性（如圖4所示）。


圖5. 微米級纖維-殼聚糖/納米纖維素濕度驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際應(yīng)用展示。


  實(shí)際應(yīng)用研究表明，該濕度驅(qū)動(dòng)器可應(yīng)用于智能織物，在人體出汗時(shí)驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)打開以增強(qiáng)空氣對流，從而促進(jìn)汗液蒸發(fā)與人體降溫。此外，該驅(qū)動(dòng)器還可用作非接觸式電開關(guān)，進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用場景（如圖5所示）。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04103

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