扬州大学高强研究小组CEJ：相分离同时自组装构筑PEDOT: PSS纤维表面仿生微绒毛用于传感应用

点击上方“蓝字” 一键订阅

基于纤维或纺织品的可穿戴传感器因在健康监测领域的潜在应用而受到广泛关注。可重复性和高灵敏度对可穿戴传感电子学具有重要意义。纤维表面微结构加工技术的发展为提高纤维基传感器的灵敏度提供了一条新的途径。以化学物理沉积和三维打印为代表的二次加工技术是制备表面微结构的主要方法。然而，这些方法除了技术路线复杂外，也可能引起纤维基材性能的下降。到目前为止，还没有关于一步法制备表面具有规则阵列结构的导电纤维的报道。如何简单、高效地在纤维制备过程中同步在表面形成规则的微阵列结构，以提高纤维对外界刺激的反应灵敏度仍然是一个挑战。

基于此，扬州大学高强副教授研究组在前期研究基础（Compos Commun, 2021, 25, 100700.，J Mater Chem C, 2020, 8, 4564-4571.）上，提出采用离子诱导的自组装策略，在聚(3，4-乙二氧基噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)纤维连续大规模制备的同时构筑具有均匀阵列结构的纤维表面（图1）。该方法不需要后处理或苛刻的反应条件，基于传统的湿法纺丝过程，在水-乙醇的凝固浴体系中引入Cu²⁺， PEDOT：PSS纤维表面即可自发形成绒毛状的微结构。由于绒毛状阵列结构的存在，仿生PEDOT：PSS-Cu²⁺纤维的比表面积较原始PEDOT：PSS纤维增加了5倍，从而使其制备的触觉传感器具有低的检测下限(~82 Pa)和快速响应时间(47 ms)。值得注意的是，这种离子辅助技术具有较好的拓展性，可以实现具有丰富特殊形貌PEDOT：PSS纤维的制备，尤其是把凝固浴作为“反应池”的想法为传统湿纺技术和纤维表面形貌设计提供了一条独特而有效的路径。

图1. 表面具有仿生绒毛状阵列结构的PEDOT：PSS-Cu²⁺纤维设计思路与制备过程。(a) PEDOT:PSS-Cu²⁺纤维的仿生设想，(b) PEDOT:PSS-Cu²⁺纤维的制备工艺，(c) PEDOT:PSS-Cu²⁺纤维表面绒毛状阵列的SEM照片，(d) PEDOT:PSS-Cu²⁺纤维的截面与(e) 核壳结构的SEM照片，(f) 通过打结展示柔性。

仿生PEDOT: PSS-Cu²⁺纤维表面绒毛状阵列结构的构筑分为三部分，包括凝固浴中PEDOT：PSS纤维的相分离，表面晶种（聚电解质络合物）的形成以及微结构的自组装生长。通过控制凝固浴的微环境可以构筑不同长度与分布密度的表面绒毛状阵列（图2）。

图2. 仿生PEDOT：PSS-Cu²⁺纤维的形貌表征与绒毛状阵列结构的成型机理。PEDOT:PSS-Cu²⁺纤维表面微结构的SEM照片：(a) fibers (0 min, 0 min)，(b) fibers (5 min, 0 min)，(c) fibers (2 min, 180 min)，(d) fibers (10 min, 180 min)，和(e) fibers (5 min, 180 min)，(f) 从种子晶体到类绒毛阵列结构自组装过程原理图。*注：fibers  (x min, y min)指的是制备的PEDOT:PSS-Cu²⁺纤维在凝固浴中停留x 分钟，在空气中停留y分钟。

由于表面阵列结构的存在，制备的仿生纤维具有良好的传感特性，尤其是对外界压力刺激展现出快速的反应时间以及稳定可重复的信号响应（图3）。

图3. 仿生PEDOT：PSS-Cu²⁺纤维对(a)拉伸、(d)弯曲与(g)按压过程的传感响应，(b) PEDOT：PSS-Cu²⁺纤维拉伸受力下的相对电阻变化，(c)不同频率拉伸循环下，(e)不同角度弯曲，(f)60度下周期性弯曲以及(h)周期性按压下仿生纤维的实时电阻变化，(i)按压PEDOT：PSS-Cu²⁺纤维基传感器展示出仅需47 ms的快速响应时间。

文章进一步展示了这种仿生纤维在微气流检测、实时信息传输和重力/压力传感方面的潜在应用（图4）。

图4. 仿生PEDOT：PSS-Cu²⁺纤维在(a)微气流监测、(e)实时信息传输以及(f)重力感应的应用展示，(b) 随气流速度的增加电阻信号迅速增加，(c)以3.5 m⋅s^-1的气流速度下测量500次气流开关循环下的仿生纤维的实时电阻变化，(d) 集成在织物中的仿生纤维，(g)测量压力/重力分布的传感器应用。

相关成果以“Surface engineering via self-assembly on PEDOT: PSS fibers: Biomimetic fluff-like morphology and sensing application”为题发表在《Chemical Engineering Journal》（IF=13.273）。扬州大学化学化工学院硕士研究生王鹏与王明序（日本信州大学博士在读）为论文的共同第一作者，通讯作者为扬州大学化学化工学院高强副教授。该研究得到了国家自然科学基金的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131551

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多