北航程群峰教授團(tuán)隊(duì)：給蠶絲披上“石墨烯外衣”，搖身一變成傳感器
來源：高分子科學(xué)前沿
作者：高分子科學(xué)前沿
時(shí)間：2021-06-22 14:42:41
桑蠶絲是由蛋白質(zhì)組成的動(dòng)物纖維，這些蛋白質(zhì)可以自組裝成獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)，具有超強(qiáng)的力學(xué)性能，在工業(yè)上有很大的應(yīng)用潛力。然而，天然絲缺乏導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，無法滿足智能紡織品市場(chǎng)的需求。對(duì)蠶絲進(jìn)行功能化處理，同時(shí)提高蠶絲的力學(xué)性能一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
北京航天航空大學(xué)的程群峰教授團(tuán)隊(duì)受到蠶絲天然核鞘結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)系的啟發(fā)，通過氫鍵增強(qiáng)界面相互作用，實(shí)現(xiàn)了薄層還原氧化石墨烯(rGO)層包覆的蠶絲(GS)。GS在拉伸強(qiáng)度和韌性方面表現(xiàn)突出，分別達(dá)到1137.7 ± 85.3 MPa和304.5 ± 50.9 MJ m -3，高于任何其他改性絲纖維。研究?jī)?nèi)容以“Strong Reduced Graphene Oxide Coated Bombyx mori Silk”為題發(fā)表在近日的《Advanced Functional Materials》。
桑蠶絲的大規(guī)模綠色生產(chǎn)使其在紡織工業(yè)中具有巨大的潛力。然而，由于其他功能性紡織品的出現(xiàn)，人們對(duì)具有功能性和機(jī)械性能的絲綢的需求不斷上升。因此，再生絲素(RSF)得到了廣泛的研究，但在制備RSF復(fù)合材料的溶液過程中仍不可避免地引入了各種試劑，如LiBr，六氟異丙醇、甲酸等，會(huì)造成污染，破壞天然絲的原始結(jié)構(gòu)。此外，納米材料成本高，限制了大規(guī)模生產(chǎn)。對(duì)蠶絲進(jìn)行表面改性，可以在不破壞蠶絲原有性能的前提下獲得所需的性能。
受蠶絲核心鞘結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間關(guān)系的啟發(fā)，作者開發(fā)了一種新策略來制備還原氧化石墨烯（rGO）涂層的桑蠶絲(GS)。殼聚糖(CS)被引入功能化界面，作為界面連接分子。優(yōu)化配比之后，薄層還原氧化石墨烯包覆的蠶絲的抗拉強(qiáng)度和韌性分別達(dá)到1137.7 MPa和304.5 MJ m-3，分別是單絲的1.9倍和2.6倍，GS-3纖維的斷裂力達(dá)到0.10 N，大大超過了0.04 N的蠶絲芯（SS）纖維。這些結(jié)果表明，rGO-CS涂層有效地提高了SS的力學(xué)性能，同時(shí)，rGO-CS涂層還為SS帶來了良好的導(dǎo)電性。隨著rGO -CS涂層次數(shù)的增加，CS纖維的導(dǎo)電性增加。
圖1 A)制作過程說明:蠶絲被脫膠成絲芯（SS）纖維。然后，將SS纖維浸入rGO和CS混合液中分散并干燥，得到GS。B-D)絲綢、SS、GS的掃描電鏡圖(SEM)。
GS纖維的斷裂過程如圖2A所示。隨著載荷的增加，絲綢基體開始斷裂，并開始產(chǎn)生功能化層。由于功能化層的斷裂會(huì)吸收部分?jǐn)嗔涯?，GS纖維的強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率得到了提高。最終GS纖維以及連續(xù)的rGO-CS層都發(fā)生了斷裂，但功能化層仍然緊緊粘附在絲的表面，表明SS與rGO-CS功能化層之間存在較強(qiáng)的界面相互作用。
導(dǎo)電性能對(duì)纖維材料的功能應(yīng)用至關(guān)重要。石墨烯功能化層使SS具有0.37 S m-1的導(dǎo)電性，使其可以用于智能紡織品或可穿戴電子產(chǎn)品。為了說明GS纖維的潛在應(yīng)用，通過測(cè)試GS纖維在不同溫度下的電阻來測(cè)試其溫度響應(yīng)，GS纖維的電阻隨著溫度的升高而降低，說明GS纖維作為溫度監(jiān)視器的可能性。例如，GS纖維可以編織到紡織品中，測(cè)量人體的溫度。對(duì)GS纖維的性能穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，GS纖維在經(jīng)過拉伸和彎曲兩種變形循環(huán)后都能很好地保持其導(dǎo)電性;經(jīng)過300次循環(huán)使用，GS纖維的電導(dǎo)率仍保持在98%。
圖2 A) GS纖維斷裂過程示意圖。B) GS-3纖維的斷裂形態(tài)。斷裂后的還原氧化石墨烯層附著在蠶絲表面。C) SS纖維、GS-3纖維、rGO-CS和氧化石墨烯的FTIR光譜。
A) GS 纖維的電阻隨溫度升高而降低。B) 在拉伸或彎曲循環(huán)過程中，GS 的導(dǎo)電性保持得很好。C) GS 纖維的電阻在3%拉伸應(yīng)變循環(huán)下的穩(wěn)定變化。D) GS 纖維的電阻在50%彎曲應(yīng)變下的穩(wěn)定變化。
綜上，該研究從蠶絲天然核鞘結(jié)構(gòu)與蠶絲力學(xué)性能的關(guān)系中得到啟發(fā)，開發(fā)了一種通過還原氧化石墨烯功能化蠶絲的新策略。石墨烯功能化的桑蠶絲不僅具有高強(qiáng)度，還具有溫度響應(yīng)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等功能。這種仿生方法為綠色高性能纖維制造提供了一種通用和方便的策略，在未來智能纖維材料應(yīng)用中有巨大的潛力。
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