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                鄭州大學申長雨院士和劉春太教授團隊AFM:用于壓力傳感和油水分離的多功能聚酰亞胺納米纖維/MXene導電復合氣凝膠
                2021-01-23  來源:高分子科技

                  隨著人工智能的快速發展,高性能的壓力傳感器在人造假肢、智能機器人、電子皮膚和可穿戴電子等方面應用廣闊。基于傳統金屬和無機半導體材料的壓力傳感器靈敏度高、響應快、穩定性好,但是傳感范圍有限,柔韌性差,且制備復雜,成本高昂。最近,受超輕、超彈、強韌的蜘蛛網啟發,納米纖維自組裝氣凝膠逐漸備受關注,成為一個研究熱點。這種氣凝膠通常表現出比原始聚合物更好的可壓縮性和恢復性,并且具有超低的密度、較高的孔隙率和極小的能量損耗,這些性能對壓力傳感器無疑具有巨大的魅力。這類氣凝膠已在隔熱,油水分離和組織工程支架等方面進行了廣泛的研究,但在傳感器領域應用卻有待進一步開發。



                  鑒于此,鄭州大學申長雨院士和劉春太教授團隊通過冷凍干燥和熱亞胺化工藝,設計并制備了一種多功能的具有獨特“層狀支撐(layer-strut)”分級多孔結構的導電聚酰亞胺納米纖維(PINF)/MXene復合氣凝膠。由于特殊的多孔結構和PINF與MXene之間的牢固結合,該復合氣凝膠的密度低至9.98 mg cm-3,可承受-50 ~ 250℃的惡劣溫度,高達90%的應變,以及超過1000次循環的抗疲勞能力。用作壓阻傳感器時,其感應能力可達85.21 kPa(對應90%的應變),表現出超低的檢測極限0.01 kPa(對應0.5%的應變),超過1000個周期的抗疲勞特性以及極端環境下優秀的響應穩定性。此外,復合氣凝膠的疏水性和多級孔狀結構還賦予材料良好的油水分離性能,吸附量高達55.85 ~ 135.29 g g-1,可循環利用。該研究有望為人體運動/物理信號檢測和高效的油水分離提供一種新策略。


                圖1 (A) PINF)/MXene復合氣凝膠的制備過程示意圖;所制備的MXene納米片的(B)TEM圖像和(C)AFM圖像;(D)Ti3AlC2在刻蝕前后的XRD譜圖。


                  作者制備了橫向尺寸600 nm,厚度僅6 nm的高質量透明二維MXene納米片。由于納米片的極性和表面親水基團(-O,-OH,-F),作者選用去離子水作為分散介質,形成了穩定的膠體懸浮液。并采用氧等離子體處理,提高了PINF的親水性,成功獲得了均相PINF/MXene混合物。隨后以水溶性聚酰胺酸(PAA)作為粘合劑,在氣凝膠形成過程將分散的PINF和MXene粘合在一起。在經過熱亞胺化處理后,PAA最終轉化為PI,實現了復合氣凝膠的彈性結合,大大提升復合氣凝膠的結構穩定性(圖1)。


                圖2 (A-C)純PINF氣凝膠和(D-F)PINF/MXene復合氣凝膠的微觀形貌結構。


                  微觀形貌顯示,純PINF氣凝膠呈現各向同性的開孔結構,孔隙大小80-100μm。這些孔隙形成的原因主要是溶劑晶體成核,以及溶劑晶體和PINF之間的相分離。對于PINF / MXene復合氣凝膠,除了分級的開孔結構,溶劑晶體的增長和擴張使二維MXene納米片呈現出取向性,導致了有序的分層結構,其中PI將二維的MXene納米片和一維的PINF牢固地焊接在一起從而形成了片層, PINF作為支柱連接相鄰層,同時被MXene納米片完全包裹,充分保障了整個氣凝膠體系電性能的穩定。在這種獨特的層狀結構中,層間距離為復合氣凝膠提供了充足的壓縮空間,而層間的PINF作為支柱對片層起到支撐作用,使復合氣凝膠具有彈簧般的優良壓縮性和可恢復性。


                圖3  PINF/MXene復合氣凝膠的機械性能。


                  PINF/MXene復合氣凝膠在高達90%的壓縮應變范圍內都能夠展現出良好的可壓縮性和恢復性,并且表現出不受壓縮速率影響的力學性能,這對實際應用具有重要意義。


                  在DMA測試中,PINF/MXene復合氣凝膠的機械性能在整個溫度區間幾乎是平直的,顯示出良好的耐高溫和低溫的能力,證明了在極端環境下的應用潛力。另外,復合氣凝膠在1000次壓縮循環測試中,最大應力基本保持不變,塑性變形略有增加(從1.55%增加到4.94%),而且經過前50個循環的結構調整后,能量損失系數幾乎趨于穩定(21%)。同時,即使在80%應變這樣極端應變下,PINF/MXene復合氣凝膠也至少可以承受200次的循環壓縮而不產生明顯的強度減小和永久形變。這些結果充分了證明了所制備的PINF/MXene復合氣凝膠具有良好的結構穩定性、彈性和抗疲勞性能。


                圖4  PINF/MXene復合氣凝膠的壓力傳感性能。


                  將該復合氣凝膠用作壓力傳感器,表現出了高達85.21 kPa的感應能力(對應90%的應變)和低至0.01 kPa的監測極限(對應0.5%的壓縮應變),以及穩定的和不受壓縮速率影響的傳感特性,同時還可以在-50 ~ 250℃的溫度下正常工作。上述優異特性彰顯了該復合氣凝膠在人體運動、人體物理信號檢測等方面的應用潛力。


                圖5  PINF/MXene復合氣凝膠的油水分離功能。


                  PINF/MXene復合氣凝膠在不經過任何表面處理的情況下表現出了良好的疏水性,水接觸角在125°左右。得益于其疏水性和多孔結構,復合氣凝膠能夠有效吸附正己烷、乙醇、異丙醇、大豆油、丙酮、乙酸乙酯、乙二醇和CCl4等多種油和有機溶劑,吸附量高達55.85 ~ 135.29 g g-1。其吸附能力遠超之前文獻中的油水分離材料(如聚乳酸泡沫、石墨烯/聚氨酯海綿、聚酰亞胺/MXene氣凝膠等)。在油水分離實驗中能夠快速吸附水底的重油和浮在水面的浮油,顯示出作為油水分離材料的巨大應用潛力。


                  以上相關成果以為“Lightweight, Superelastic, and Hydrophobic Polyimide Nanofiber /MXene Composite Aerogel for Wearable Piezoresistive Sensor and Oil/Water Separation Applications”于今日發表在《Advanced Functional Materials》期刊上。論文第一學生作者為鄭州大學橡塑模具國家工程研究中心2018級碩士研究生陳曉玉,通訊作者為鄭州大學橡塑模具國家工程研究中心劉虎副教授劉春太教授和中國科學院北京納米能源與系統研究所潘曹峰研究員


                  該研究得到了國家重點研發計劃(2016YFB0101602)、國家自然科學基金項目 (51803191, 11572290, 11432003)、111計劃(D18023)、中國博士后科學基金的資助和支持。


                  文章連接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202008006

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                (責任編輯:xu)
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