基于电纺杂化水凝胶纳米纤维的快速反应软执行器的一步法制备

　　Polymer：基于电纺杂化水凝胶纳米纤维的快速反应软执行器的一步法制备
　　DOI:10.1016/j.polymer.2020.122590 快速响应低电位的软执行器对于可穿戴设备和机器人至关重要。在这项工作中，制备了杂化水凝胶纳米纤维垫，并将其作为软执行器进行测试。通过在纳米纤维形成过程中将静电纺丝与水凝胶的原位光聚合和苯胺的聚合相结合来制备杂化水凝胶纳米纤维。通过4-探针法测得制备的纳米纤维的电导率接近0.01 S cm-1。利用原子力显微镜（I-AFM）成功地获得了导电模式下的图像，证明了杂化水凝胶纳米纤维的导电性和纳米特性。红外光谱（FTIR）表明，纳米纤维形成过程中的水凝胶前驱体的光聚合和苯胺聚合是有效的。由AFM纳米压痕估算了纳米纤维的弹性模量，溶胀的样品的弹性模量接近10 MPa。通过在干燥和溶胀条件下比较杂化水凝胶纳米纤维的AFM图像，评估了杂化水凝胶纳米纤维的溶胀性能，发现其溶胀度因纳米纤维中聚苯胺的存在而降低。将制备的水凝胶纳米纤维膜作为电化学电池的执行器进行了测试。在1 MΩ cm水中施加低电压（1 V）导致样品的快速（2.5 mm s-1）、可逆位移。在致动过程中，薄纳米纤维垫也可以承受80 µN的力，该力是通过将电化学电池耦合到称重传感器来测量的。
　　图1.（A）用于静电纺丝过程中聚合纳米纤维的紫外线反应器的示意图。（B）修改后的静电纺丝设备的照片；（C）电纺纳米纤维垫（PVA：3.3_PANI：6.7）的照片和（D）静电纺丝针头的照片，由绿色激光束的散射（波长532 nm和功率200 mW）展示纳米纤维的形成。
　　图2.（A）设备和（B）两个电极之间的电纺纳米纤维毡的线性位移测量（L）方案。（C）在致动期间，通过连接至称重传感器的不锈钢线测量力的图像。
　　图3.涉及PVA和水凝胶前驱体溶液其他成分的酯化反应。（a）原始PVA的FTIR光谱；（b）含有PVA的水凝胶电纺纳米纤维；（c）与（b）相同，但是水凝胶前驱体溶液在静电纺丝步骤之前经受热处理。
　　图4.含PANI的电纺水凝胶纳米纤维的FTIR光谱，以及商用PANI的光谱。
　　图5.电纺纳米纤维的SEM图像：A，B，C：不含PANI的纳米纤维；D，E，F：含PANI的纳米纤维。G：PANI和PVA含量对获得的纳米纤维直径的影响。比例尺=10 µm。
　　图6.含3.3 wt％（A）、6.7 wt％（B）和10 wt％（C）PANI的电纺水凝胶纳米纤维在接触（C-AFM）和导电（I-AFM）模式下的AFM图像。（D）静电纺丝过程中电流响应与时间的关系。
　　图7.具有不同PANI含量的电纺水凝胶纳米纤维的DSC曲线。
　　图8.在空气（a）和水（b）中获得的电纺杂化水凝胶纳米纤维的AFM图像。（c）通过监测重量变化和尺寸变化（AFM溶胀度）来测量具有不同PANI含量的电纺水凝胶纳米纤维的平衡溶胀度。
　　图9.（A）纳米纤维上纳米压痕的示例。（B）纳米压痕过程中力与位移曲线的示例。（C）杨氏模量（通过转换纳米压痕数据计算）与电纺水凝胶纳米纤维中PANI含量的函数关系。
　　图10.电纺杂化水凝胶纳米纤维的电导率与纳米纤维中PANI浓度的关系。
　　图11.在电纺纳米纤维垫（PVA：3.3_PANI：0）的致动过程中捕获的帧。60秒后，施加到电化学电池的电势等于（A）0 V和（B）3 V，显示位移接近6 mm。（C）具有不同PANI含量的一系列电纺杂化水凝胶纳米纤维的致动（位移）随时间的变化。
　　图12.电纺水凝胶纳米纤维产生的最大力和响应时间随样品中PANI浓度的变化而变化。
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