王中林院士团队Nano Energy：可拉伸、自修复导电水凝胶纤维，用于应变传感和摩擦电能量收集智能纺织品

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可拉伸的导电纤维对于智能电子纺织品（电子纺织）至关重要。浙江科技大学JunminWan同中国科学院北京纳米能量与纳米系统研究所Xiong Pu和Zhong Lin Wang院士团队在国际期刊Nano Energy (IF 16.602)上发表题为“Stretchable, self-healing, conductive hydrogel fibers for strain sensing and triboelectric energy-harvesting smart textiles”的研究论文。本文报道了一种连续的干湿纺丝法来制备可拉伸、导电和自修复的水凝胶纤维。通过调整丙烯酰胺（AAm）和N-丙烯酰基甘氨酰胺（NAGA）的含量，物理交联的聚（NAGA-co-AAm）（PNA）水凝胶前体表现出热可逆的溶胶-凝胶转变，这确保了纺纱过程的成功。所获得的PNA水凝胶纤维具有优异的抗张强度（2.27 Mpa）、可拉伸性（900％）、高导电性（0.69 S m-1）和自修复能力。PNA/PMA芯鞘纤维具有弹性体聚丙烯酸甲酯（PMA）涂层，对水的蒸发和吸收具有出色的抵抗力。还演示了PNA/PMA光纤的应变传感功能，并成功地监测人体运动。此外，制造了由PNA/PMA纤维织造的摩擦电纳米发电机（TENG）纺织品，以将机械运动能转化为电能。可以以预见的是该可拉伸导电水凝胶纤维为下一代多功能智能纺织品和可穿戴电子产品提供了巨大潜力。

图1.水凝胶和芯鞘纤维的制备。（a）PNA水凝胶前体，PNA水凝胶纤维和PNA/PMA芯鞘纤维的制备程序示意图。（c）2 m长的PNA光纤的照片。（c–e）扫描电子显微镜（SEM）为PNA水凝胶纤维成像。（e）是d）中矩形区域的放大图。（f–h）PNA/PMA纤维的SEM图像。（h）是（g）中矩形区域的放大图。（i）由PNA/PMA纤维在拉伸状态下织造的纤维网。（j）由PNA/PMA纤维和羊毛线在拉伸状态下编织而成的织物。

图2. PNA水凝胶的热溶胶-凝胶转变机理。（a）AA链段之间的单氢键和NAGA链段之间的双氢键的方案。（b）PNA的可逆溶胶-凝胶转变方案。（c）倒置的小瓶的照片，显示了NAGA与AAm重量比对PNA水凝胶的溶胶-凝胶转变行为的影响。（d）PNA-15/5水凝胶在25°C和80°C下的拉曼光谱。（e）PNA-15/5水凝胶的储能模量（G'）和损耗模量（G''）随温度的变化。（f）在25℃下测试的PNA-15/5水凝胶的G′和G″随剪切频率的变化。

图3.机械，抗水蒸发和自修复特性。（a）PNA和PNA/PMA水凝胶纤维在50mmmin-1的拉伸速率下的应力应变曲线。插图显示起重20g的PNA/PMA纤维。（b）PNA和PNA/PMA纤维的重量保持率以及在室温和40RH％的时间。（c）在45°C和60°C下自愈10分钟之前和之后，PNA水凝胶纤维的应力应变曲线。插图显示了自愈处理前后切割的PNA水凝胶纤维的照片。（d）照片显示几根PNA水凝胶纤维被切成小段并自我修复成网状，可以提起20.4克橙色。

图4.PNA/PMA光纤的应变传感性能。（a）纤维的ΔR/Ro随拉伸应变而变化。插图是计算出的标尺系数。（b）在逐步延伸和释放过程中，ΔR/Ro随时间变化（每一步的应变为20％，顶部的应变为10％）。（c）光纤应变传感器的循环稳定性。（d）固定在手指上的光纤弯曲不同角度后，ΔR/Ro随时间变化，如（e）中的照片所示。（f）用固定在五个手指上的五个光纤应变传感器监视手势。

图5.摩擦电纳米发电机纺织品。（a）由PNA/PMA芯鞘纤维织成的TENG纺织品的示意图。两张照片显示了TENG机织织物没有和有拉伸变形。（b）TENG纺织品在接触分离单电极模式下的机理。（c）TENG纺织品的输出Voc，Isc和Qsc与PTFE膜的相对运动为〜1.25Hz。（d）电流密度和峰值功率密度随外部负载电阻的变化。（e）TENG纺织品在相对于不同材料的接触分离运动下的挥发性有机化合物。PTFE，Kapton和丁腈橡胶是薄膜；PU织物（80％聚酯纤维+20％氨纶），PET（聚酯）织物，棉和尼龙是织物。（f）TENG纺织品在拉伸到不同应变时的Voc。（g）由TENG纺织品充电并用于为电子表供电时，一个6μF电容器的电压曲线。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105389

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