Rekbare polymere vezels hebben een aanzienlijke impact, hoewel de productie ervan rigoureuze milieumethoden en het verbruik van hulpbronnen vereist. Het proces is een uitdaging voor elastische polymeren met verminderde spinbaarheid en hoge prestaties, zoals siliconen, polydimethylsiloxaan en ecoflex.

Guoxu Zhao en een team van wetenschappers op het gebied van medische technologie, materiaalkunde en levenswetenschappen in China hebben een door hydrogel ondersteunde microfluïdische spinmethode gepresenteerd om dergelijke uitdagingen aan te gaan. Ze bereikten dit door prepolymeren in te kapselen in lange, beschermende en opofferende hydrogels. vezels.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .

Ze ontwierpen eenvoudige apparaten en regelden de vloeiende en grensvlak-zelfaanpassingen van olie-/waterstromen om met succes vezels te produceren met een breed gereguleerde diameter, opmerkelijke lengte en hoge kwaliteit. De methode maakte het mogelijk om de spiraalvormige vezels eenvoudig en effectief te hervormen voor uitzonderlijke rekbaarheid en mechanische regulatie.

De vezels hebben potentiële toepassingen als textielcomponenten en opto-elektronische apparaten. De methode biedt een krachtig pad voor de massaproductie van rekbare vezels van hoge kwaliteit.

Rekbare polymeren

Intrinsiek rekbare vezels hebben wijdverbreide toepassingen in vergelijking met niet-rekbare vezels, waarbij rekbare vezels hun functies onder mechanische dynamiek kunnen behouden om specifieke toepassingen te realiseren. Rekbare polymeren kunnen worden gebruikt om biomaterialen en bio-elektronica te ontwikkelen, waarbij steeds meer aandacht wordt besteed aan hun vermogen om zich aan te passen aan het menselijk lichaam.

De grootschalige fabricage en het gebruik van materialen zijn echter beperkt binnen de spinbare elastische polymeren, waaronder polyurethaan en poly (styreen-co-ethyleen butyleen-co-styreen). De materialen kunnen worden verwerkt met behulp van traditionele spinmethoden.

Dergelijke spinbare polymeren kunnen worden bereid tot smeltingen of oplossingen die de vorm hebben van vezelachtige vloeistoffen. Alginaathydrogels, die aldus tussen alginaatmoleculen en kationen worden gevormd, worden op grote schaal gebruikt vanwege hun biocompatibiliteit, biologische afbreekbaarheid en instelbare mechanische eigenschappen.

Om een ​​spintechniek te realiseren die geschikt is voor slow cuing en prepolymeren in de oliefase, ontwikkelde het team een ​​microfluïdisch spinsysteem om de prepolymeren in te kapselen met alginaathydrogelvezels, en bestudeerde de gerelateerde mechanismen en invloeden.

De hydrogel-ondersteunde microfluïdische spinmethode (HAMS)

Een eenvoudige, effectieve en schaalbare hydrogel-ondersteunde microfluïdische spinmethode kan, bij omgevingstemperatuur en in afwezigheid van een organisch oplosmiddel, op oliefase-prepolymeren gebaseerde rekbare vezels produceren. De prepolymeren en de waterige natriumalginaatoplossing kunnen worden gecoëxtrudeerd in een waterige calciumchlorideoplossing om een ​​hydrogelvezel/omhulsel te creëren. De HAMS-methode kan vezelgeometrieën realiseren om de productie van spiraalvormige vezels opnieuw vorm te geven. Het toepassingspotentieel van de methode wordt aangetoond door vezels uit verschillende prepolymeren te produceren om hun veelzijdigheid te onderzoeken.

Vezelontwikkeling met verschillende viscositeiten

Het onderzoeksteam bestudeerde de invloed van de stromingsviscositeit op het spinnen van vezels door gebruik te maken van vloeibaar polydimethylsiloxaan (PDMS) en thixotrope PDMS, die verschillend reageerden op de stroomsnelheden.

De wetenschappers onderzochten de toepasbaarheid van de HAMS-methode door gebruik te maken van Ecoflex, neutrale siliconen en koolstofnanobuisjes-composiet PDMS. De HAMS-methode is veelbelovend voor de productie van op oliefase-prepolymeren gebaseerde rekbare vezels. De wetenschappers onderzochten verder hoe de vloeiende en interfaciale zelfaanpassing de oliefase-spinmechanismen bemiddelde. Gesponnen vezels ontwikkeld via de HAMS-methode zijn een beschermende en flexibele hydrogel voor gunstige mechanische eigenschappen en functies.

Het team heeft spiraalvormige structuren opnieuw vormgegeven door luchtspinvezels uit een calciumchloride-oplossing te halen en op staafsjablonen te wikkelen om spiraalvormige vezels te vormen met uniforme structuren, een groot bereik aan afmetingen en uitstekende stabiliteit. De methode biedt een breed gereguleerde aanpak om extreem rekbare spiraalvormige vezels te creëren. Met deze basisprincipes kunnen reguliere spiraalvormige structuren eenvoudig en effectief worden omwikkeld om spiraalvormige vezels te produceren.

Polymeereigenschappen

Zhao en collega's beoordeelden de rol van prepolymeerreologiemengsels met verschillende volumeverhoudingen van PDMS en stemden de naaldgroottes af om de mogelijkheid aan te geven om de hydrogel-ondersteunde microfluïdische spinmethode te realiseren. Hoewel dit proces van het inkapselen van oliën met lage viscositeit met hydrogelvezels goed bestudeerd is, is het belangrijk om de mechanismen en optimaliserende strategieën van de hydrogel-ondersteunde microfluïdische spinmethode te bestuderen.

Ze bestudeerden ook de draagbare detectieprestaties van optische PDMS-vezels om vingerbuig- en aanrakingssignalen te creëren die geschikt zijn voor het invoeren en verzenden van morse-informatie; als draagbare mechanische sensoren.

Zhao en collega's onderzochten verder de mechanische detectieprestaties van de vezels, waarbij de weerstand precies reageerde op cyclisch uitrekken met verschillende spanningen. De resultaten benadrukten het toepassingspotentieel van de methode om rechte, op vezels gebaseerde draagbare reksensoren en ultra-rekbare geleiders te produceren.

Vooruitzichten

Op deze manier ontwikkelden Guoxu Zhao en zijn team een ​​hydrogel-ondersteunde microfluïdische spinmethode om langzaam werkende prepolymeren in de oliefase te produceren, gebaseerd op rekbare vezels. Deze hydrogel-ondersteunde microfluïdische spinmethode kan worden uitgevoerd zonder polymeren te smelten of op te lossen via een hoog energieverbruik of organisch oplosmiddel, als een economisch en ecologisch gunstige strategie. Door snel uithardende prepolymeren te gebruiken naast een tweecomponentenspuit en mengkop kan het uithardingsproces worden versneld.

Meer informatie: Guoxu Zhao et al., Hydrogel-ondersteund microfluïdisch spinnen van rekbare vezels via vloeiende en grensvlak-zelfaanpassingen, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj5407

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

© 2023 Science X Netwerk