近年來，利用纖維支撐的微流體涂層構(gòu)建連續(xù)功能仿生納米結(jié)構(gòu)引起了廣泛關(guān)注，但其發(fā)展一直受限于普拉托－瑞利不穩(wěn)定性（Plateau-Rayleigh，PRI）這一根本性挑戰(zhàn)。PRI會導(dǎo)致液涂收縮、斷裂成液滴，尤其在低粘度流體涂覆于纖維基底時(shí)更為顯著。盡管已有研究嘗試通過雙纖維結(jié)構(gòu)、表面活性劑或特定化學(xué)反應(yīng)來抑制PRI，但這些方法存在適用體系有限、加工窗口窄、操作復(fù)雜等問題，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

受蠶絲在空氣中穩(wěn)定紡絲的啟發(fā)，四川大學(xué)王宇特聘研究員研究團(tuán)隊(duì)提出了一種序列交互式纖維-微流體納米相分離（SIFMF-NPS）技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了多功能、超韌性納米皮膚纖維（NSF）的連續(xù)制備。該技術(shù)通過界面溶脹、相互擴(kuò)散、納米相分離和界面共結(jié)晶等步驟，顯著增強(qiáng)了纖維界面強(qiáng)度（達(dá)119 ± 7.6 MPa，提高約100倍）和韌性（377 ± 4.6 MJ m?2，提高約3倍），并賦予其高性能摩擦發(fā)電、運(yùn)動傳感和高效隔熱等功能。該技術(shù)為仿生功能纖維的大規(guī)模制造提供了新平臺，有望應(yīng)用于智能紡織、可穿戴電子和先進(jìn)復(fù)合材料等領(lǐng)域。相關(guān)論文以“Biomimetic Nanofabrication by Silkworm-Inspired Spinning: A Supertough Nano-Skin Fiber Through Sequenced Interactive Fiber-Microfluidics”為題，發(fā)表在

Advanced Functional Materials

圖1. 仿蠶絲紡絲抗PRI序列交互纖維-微流體納米相分離（SIFMF-NPS）概念示意圖，用于大規(guī)模生產(chǎn)多功能超韌納米皮膚纖維（NSF）。 a) 蠶絲紡絲實(shí)物圖及其芯鞘結(jié)構(gòu)示意圖； b) SIFMF-NPS平臺連續(xù)制備NSF示意圖； c) NSF干燥過程中界面共結(jié)晶示意圖； d) 長約6公里的NSF大規(guī)模制備展示及其鞘層SEM圖像。

研究團(tuán)隊(duì)首先通過拖停實(shí)驗(yàn)研究了不同纖維基底對PRI行為的影響。結(jié)果顯示，同質(zhì)PVDF纖維能顯著延遲PRI發(fā)生時(shí)間（tPRI），尤其是直徑較大的纖維效果更明顯。進(jìn)一步力學(xué)分析表明，同質(zhì)纖維與涂層之間的界面吸附力和毛細(xì)管吸附力共同抑制了拉普拉斯壓力差，從而穩(wěn)定了液涂。此外，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)微流體通道末端收縮會引發(fā)有序的正弦波動，這是PRI行為的新觸發(fā)機(jī)制。

圖2. 浸入非溶劑浴前纖維基底特性對PRI行為的影響。 a) 拖停實(shí)驗(yàn)測定PRI起始時(shí)間tPRI示意圖； b–e) 10 wt% PVDF溶液涂覆于Nylon-100、PVDF-100、Nylon-300和PVDF-300纖維基底的原位光學(xué)觀測； f) 不同纖維基底tPRI統(tǒng)計(jì)分析； g) 微流體涂覆于纖維基底的PRI受力分析； h) 同質(zhì)纖維-微流體涂層產(chǎn)生的界面吸附與毛細(xì)管力示意圖； i) 10 wt% PVDF溶液涂覆于不同纖維基底的接觸角與界面能統(tǒng)計(jì)； j) PVDF液涂在微流體通道出口處收縮的原位觀測； k) 通道末端引發(fā)的正弦漸進(jìn)式PRI波動示意圖。

為提高抗PRI能力，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)優(yōu)化了加工參數(shù)，包括溫度、溶液粘度和牽引速度。研究發(fā)現(xiàn)，高溫和高粘度可有效延緩PRI，而牽引速度存在臨界值，超過后反而促進(jìn)PRI?；诖?，他們設(shè)計(jì)了一種“通道套通道”的微流體裝置，內(nèi)通道為PVDF溶液，外通道為非溶劑浴，實(shí)現(xiàn)了即使在高牽引速度或低粘度條件下也能有效抑制PRI，并繪制出PRI/抗PRI相圖指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

圖3. 抗PRI SIFMF-NPS工藝優(yōu)化。 a–c) 不同溫度、濃度和牽引速度下PVDF-100纖維上PRI起始點(diǎn)照片； d) tPRI隨溫度變化關(guān)系； e) 牽引速度與溶液濃度對tPRI的影響； f) 聚合物溶液熵彈性對tPRI的影響機(jī)制示意圖； g) 通道套通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過非溶劑誘導(dǎo)納米相分離延長抗PRI時(shí)間窗口； h) PVDF-100纖維的PRI/抗PRI行為相圖； i) 相應(yīng)條件下微流體PRI行為及干燥后纖維的光學(xué)圖像。

在界面與力學(xué)性能方面，同質(zhì)設(shè)計(jì)的NSF表現(xiàn)出顯著的自增強(qiáng)效應(yīng)。SEM和AFM圖像顯示，去除納米皮膚后，PVDF纖維芯表面呈現(xiàn)粗糙的島狀結(jié)構(gòu)，而異質(zhì)體系則保持光滑，表明同質(zhì)體系發(fā)生了鏈相互擴(kuò)散與共結(jié)晶。DSC分析進(jìn)一步證實(shí)了界面區(qū)域的結(jié)晶度提升和熔點(diǎn)變化。拔出試驗(yàn)表明，NSF的界面剪切強(qiáng)度最高可達(dá)119 MPa，遠(yuǎn)高于異質(zhì)體系。力學(xué)測試顯示，NSF-100的韌性達(dá)377 MJ m?2，疲勞性能優(yōu)異，甚至能在打結(jié)狀態(tài)下承受300克重量。

圖4. 抗PRI SIFMF-NPS制備的NSF的自增強(qiáng)界面與力學(xué)性能。 a,b) 去除PVDF納米皮膚后Nylon-100與NSF-100纖維芯表面SEM圖像； c,d) Nylon-100與NSF-100芯表面示意圖與AFM圖像； e) NSF-100截面顯示梯度微觀結(jié)構(gòu)； f) 去除皮膚后PVDF@Nylon-100與NSF-100的DSC曲線對比； g) 芯鞘纖維拔出試驗(yàn)示意圖與實(shí)物圖； h) 不同芯鞘纖維的載荷-位移曲線； i) NSF與其他PVDF纖維的DSC曲線； j) NSF與其他PVDF纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線； k) NSF-100循環(huán)拉伸曲線； l,m) PVDF-100與NSF-100拉伸過程照片； n) NSF與其他纖維關(guān)鍵力學(xué)性能對比； o) 打結(jié)NSF-100承受300克重物照片。

通過調(diào)節(jié)溶劑類型和分子量，團(tuán)隊(duì)成功優(yōu)化了NSF的納米多孔結(jié)構(gòu)。以DMF為溶劑的NSF-100具有更高的孔隙率和孔徑，其摩擦發(fā)電性能最佳，輸出電壓和短路電流分別達(dá)到81 V和0.23 μA，比無孔樣品提高6.0和7.7倍。該NSF-TENG在20000次循環(huán)后仍保持穩(wěn)定輸出，展現(xiàn)出良好的耐用性。

圖5. 調(diào)控NSF-100納米結(jié)構(gòu)用于高性能摩擦納米發(fā)電機(jī)（NSF-TENG）。 a) 同一非溶劑浴中制備的不同類型芯鞘纖維SEM圖像； b) 不同NSF的孔隙率與孔密度統(tǒng)計(jì)； c) 不同NSF的平均表面孔徑統(tǒng)計(jì)； d) NSF-TENG性能增強(qiáng)機(jī)制示意圖； e,f) NSF-TENG與對比樣的電路電流與輸出電壓； g) NSF-TENG在20000次循環(huán)中的電壓輸出穩(wěn)定性。

NSF-100還被成功應(yīng)用于多種功能場景：作為Z形電極傳感器，可精準(zhǔn)監(jiān)測書寫、點(diǎn)擊、踏步等人體運(yùn)動信號；編織成仿水黽載體時(shí)，其單位質(zhì)量載荷能力顯著提升；連續(xù)導(dǎo)電涂層使其具備穩(wěn)定的電路導(dǎo)通能力；多孔結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的隔熱性能，熱阻值達(dá)29.4 (mK) W?1，優(yōu)于多數(shù)報(bào)道的隔熱材料。

圖6. NSF-100作為強(qiáng)韌可編程纖維構(gòu)建功能材料與器件的演示。 a) Z形NSF電極TENG用于人體運(yùn)動信號監(jiān)測示意圖； b,c) Z形NSF-TENG用于鼠標(biāo)點(diǎn)擊與手掌拍擊傳感； d) 監(jiān)測腳部運(yùn)動的Z形NSF-TENG實(shí)物圖； e,f) 監(jiān)測月球步與跳躍運(yùn)動的NSF計(jì)步器； g) NSF-TENG點(diǎn)亮30顆LED圣誕樹； h,i) PVDF-100與NSF-100編織仿水黽載體浮力測試（小圖為其水接觸角）； j) NSF-100編織筏承載玩偶實(shí)物圖； k) PVDF-100、PRI-PVDF-CNT@PVDF-100與CNT-NSF-100的I-V曲線； l,m) PRI與抗PRI樣品CNT涂層的電路導(dǎo)通與SEM對比； n) NSF-100與其他多孔材料隔熱性能對比； o) 編織NSF織物在40°C熱板上的紅外熱成像圖（對比樣包括PVDF-100、PRI-PVDF@PVDF-100和羊毛）。

該研究通過模仿蠶絲紡絲過程，開發(fā)了一種可規(guī)?；苽鋸?qiáng)韌功能纖維的SIFMF-NPS技術(shù)，不僅解決了長期困擾纖維涂層的PRI難題，還實(shí)現(xiàn)了界面與整體力學(xué)性能的協(xié)同提升。未來，該技術(shù)有望為多功能芯鞘纖維的設(shè)計(jì)與制造開辟新道路，推動智能紡織、能源收集和先進(jìn)復(fù)合材料等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。

來源：高分子科學(xué)前沿

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