PU@PVA-PEDOT:PSS可拉伸导电水凝胶纤维的微流控成型及其电导率应变不敏感研究

作     者：孙田田 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田明

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：微流控纺丝 导电水凝胶 应变不敏感 螺旋结构 可穿戴应用 

摘      要：随着智能可穿戴电子纺织品的快速发展,对于高性能导电纤维的需求迅速增加。理想的聚合物导电纤维不仅要具备优异的电导性与高柔高弹性,还要在大应变下保持稳定的电导率,确保其在穿戴使用中不受人体运动与肌肉形变的影响。此外,导电弹性纤维的连续化制备工艺仍然缺乏相关研究,规模化快速生产难以实现。微流控纺丝技术（MST）是一种能够在微小尺度下精确控制流体运动的技术,可用于成分可控、结构复杂的纤维制备。本研究开创性的采用MST制备得到了具有聚氨酯（PU）壳层及聚乙烯醇（PVA）/聚（3,4-乙烯二氧噻吩）:聚（苯乙烯磺酸盐）(PEDOT:PSS)水凝胶芯层的壳核纤维。通过在导电内芯中构筑半互穿导电网络,赋予所得纤维在拉伸过程中的高电导稳定性。此外,通过调整成型装置和纺丝工艺,成功实现了螺旋型的内芯结构设计,进一步提升了纤维电导率的抗拉伸干扰能力。从而得到一种高导电性、高拉伸回弹性、低滞后性、高电导率应变不敏感的可拉伸导电纤维。具体研究内容如下: （1）内含直线导电内芯水凝胶核壳纤维的微流控成型制备与研究:搭建适用于高粘度流体的微流控装置,以PVA-PEDOT:PSS作为内层纺丝液、PU/DMSO作为中层纺丝液、H2O/DMSO作为外层纺丝液,利用内层纺丝液中PVA在戊二醛作用下的化学交联及PU/DMSO外层纺丝液在水相凝固浴中的凝胶固化,成功制备出以PU为壳层、具有直线PVA-PEDOT:PSS导电水凝胶内芯的纤维。通过在导电内芯中构筑半互穿导电网络,赋予所得纤维在拉伸过程中的高电导稳定性。系统研究了各成型工艺对于所得水凝胶纤维结构与性能的影响规律。经过对于内芯组分和流速配比的优化,当内芯复合水凝胶中含有2.5 wt%PVA与0.83 wt%PEDOT:PSS时,流体流速控制在Qout=40 m L h-1,Qmid=4 m L h-1,Qin=1m L h-1的纺丝工艺下,成型纤维表现出最优的综合性能:导电率为1.56 S cm-1,断裂伸长率为600%,100%应变下相对电阻变化为0.11,50%应变下进行2000次拉伸-释放循环后仍然具有出色的导电稳定性。 （2）内含螺旋导电内芯水凝胶核壳纤维的微流控成型制备与研究:在微流控纺丝过程中,通过调节各层流体流速,成功制备出以PU为壳层、具有螺旋PVA-PEDOT:PSS导电水凝胶内芯的核壳纤维。导电内芯中的半互穿导电网络以及螺旋结构的高延展性,赋予了纤维在拉伸过程中更高的电导稳定性。系统研究了各流体流速对于螺旋结构参数(卷曲不稳定位置L、直径Dinner、螺距p)的影响规律及影响机制。研究表明:卷曲由外PU层的凝胶化导致的流体扰动现象所引发,因此Qout/Qin直接决定微流控通道中的流体卷曲状态,从而决定了所得纤维内芯的弯折程度。经过对于内芯组分和流速配比的优化,当内芯复合水凝胶中含有2.5 wt%PVA与0.83wt%PEDOT:PSS时,流体流速控制在Qout=20 m L h-1,Qin=1.5 m L h-1下,纤维表现出最优的综合性能:导电率为1.5 S cm-1,断裂伸长率为500%,100%应变下相对电阻变化小于0.05,具有较低的滞后性,100%应变下进行2000次拉伸-释放循环后仍然具有稳定的电输出性能。具备优异应变不敏感性能的纤维在可拉伸导线、摩擦纳米发电机、可拉伸加热器和热致变色等智能可穿戴领域具有广阔的应用潜力。