Sträckbara polymerfibrer har betydande inverkan, även om deras produktion kräver rigorösa miljömetoder och resursförbrukning. Processen är utmanande för elastiska polymerer med reducerad spinnbarhet och hög prestanda, såsom silikoner, polydimetylsiloxan och ecoflex.
Guoxu Zhao och ett team av forskare inom medicinsk teknik, materialvetenskap och biovetenskap i Kina, har presenterat en hydrogelassisterad mikrofluidisk spinningsmetod för att möta sådana utmaningar, som de åstadkom genom att kapsla in prepolymerer i lång, skyddande och uppoffrande hydrogel fibrer.
Forskningen har publicerats i tidskriften Science Advances .
De designade enkla apparater och reglerade självanpassningen av olja/vattenflöden för flytande och gränssnitt för att framgångsrikt producera fibrer med en brett reglerad diameter, anmärkningsvärd längd och hög kvalitet. Metoden möjliggjorde enkel, effektiv omformning av spiralformade fibrer för exceptionell töjbarhet och mekanisk reglering.
Fibrerna har potentiella tillämpningar som textilkomponenter och optoelektroniska enheter. Metoden ger en kraftfull väg att massproducera töjbara fibrer av hög kvalitet.
Egen töjbara fibrer har utbredda tillämpningar jämfört med icke töjbara fibrer, där töjbara fibrer kan behålla sina funktioner under mekanisk dynamik för att realisera specifika användningsområden. Sträckbara polymerer kan inkorporeras för att utveckla biomaterial och bioelektronik med ökad uppmärksamhet för deras förmåga att anpassa sig till mänskliga kroppar.
Emellertid är den storskaliga tillverkningen och användningen av material begränsande inom de spinnbara elastiska polymererna, inklusive polyuretan och poly (styren-sam-eten-butylen-sam-styren). Materialen kan bearbetas med traditionella spinningsmetoder.
Sådana spinnbara polymerer kan framställas till smältor eller lösningar som är formade som fiberliknande vätskor. Alginathydrogeler, som sålunda bildas mellan alginatmolekyler och katjoner, är i stor användning för sin biokompatibilitet, biologiska nedbrytbarhet och justerbara mekaniska egenskaper.
För att förverkliga en spinnteknik som är lämpad för prepolymerer med långsam cuing och oljefas, utvecklade teamet ett mikrofluidiskt spinningsystem för att kapsla in prepolymererna med alginathydrogelfibrer och studerade relaterade mekanismer och influenser.
Den hydrogelassisterade mikrofluidisk spinning-metoden (HAMS)
En enkel, effektiv och skalbar hydrogel-assisterad mikrofluidisk spinnmetod kan, vid omgivningstemperatur i frånvaro av ett organiskt lösningsmedel, producera oljefasprepolymerer-baserade sträckbara fibrer. Prepolymererna och den vattenhaltiga natriumalginatlösningen kan samextruderas till en vattenhaltig kalciumkloridlösning för att skapa en hydrogelfiber/skal. HAMS-metoden kan realisera fibergeometrier för att omforma produktionen av spiralformade fibrer. Metodens applikationspotential visas genom att man tillverkar fibrer från olika prepolymerer för att undersöka deras mångsidighet.
Forskargruppen studerade inverkan av flödesviskositet på fiberspinning genom att använda flytande polydimetylsiloxan (PDMS) och tixotropisk PDMS, som reagerade olika på flödeshastigheterna.
Forskarna undersökte användbarheten av HAMS-metoden genom att använda Ecoflex, neutral silikon och kolnanorörskomposit PDMS. HAMS-metoden lovar mycket att producera oljefasprepolymerer baserade sträckbara fibrer. Forskarna undersökte ytterligare hur den flytande och gränssnittsbaserade självanpassningen förmedlade oljefasens spinnmekanismer. Spunna fibrer utvecklade via HAMS-metoden är en skyddande och flexibel hydrogel för gynnsamma mekaniska egenskaper och funktioner.
Teamet omformade spiralformade strukturer genom att lyfta luftspinnfibrer från kalciumkloridlösning och linda på stavmallar för att bilda spiralformade fibrer med enhetliga strukturer, ett brett storleksområde och utmärkt stabilitet. Metoden erbjuder ett brett reglerat tillvägagångssätt för att skapa extremt töjbara spiralformade fibrer. Med dessa grundläggande principer kan vanliga spiralformade strukturer enkelt och effektivt lindas in för att producera spiralformade fibrer.
Zhao och kollegor bedömde rollen av prepolymerreologiblandningar med olika volymförhållanden av PDMS och justerade nålstorlekarna för att indikera möjligheten att realisera den hydrogelassisterade mikrofluidiska spinnmetoden. Även om denna process att inkapsla lågviskösa oljor med hydrogelfibrer är väl studerade, är det viktigt att studera mekanismerna och optimeringsstrategierna för den hydrogelassisterade mikrofluidiska spinnmetoden.
De studerade också den bärbara avkänningsprestandan hos PDMS optiska fibrer för att skapa fingerböjnings- och beröringssignaler lämpade för att mata in och överföra morseinformation; som bärbara mekaniska sensorer.
Zhao och kollegor undersökte vidare den mekaniska avkänningsprestandan hos fibrerna, där motståndet exakt svarade på cyklisk sträckning med olika töjningar. Resultaten visade på tillämpningspotentialen för metoden för att producera raka, fiberbaserade bärbara töjningssensorer och ultratöjbara ledare.
Outlook
På detta sätt utvecklade Guoxu Zhao och teamet en hydrogelassisterad mikrofluidisk spinningsmetod för att producera långsamma oljefasprepolymerer, baserade på sträckbara fibrer. Denna hydrogel-assisterade mikrofluidiska spinnmetod kan utföras utan att smälta eller lösa upp polymerer via en hög förbrukning av energi eller organiskt lösningsmedel, som en ekonomiskt och miljömässigt gynnsam strategi. Genom att använda snabbhärdande prepolymerer tillsammans med tvåkomponentsspruta och blandningshuvud kan härdningsprocessen påskyndas.
Mer information: Guoxu Zhao et al, Hydrogel-assisterad mikrofluidisk spinning av sträckbara fibrer via flytande och gränssnittssjälvanpassningar, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj5407
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
© 2023 Science X Network
