Ionenleitfähige Seidenfaser mit guter Flexibilität und Transparenz, die in intelligenten Stoffen verwendet werden kann.
Mit dem Aufkommen intelligenter tragbarer Geräte entwickelt man zunehmend intelligente Textilien mit Sensorfunktionen, die denen der menschlichen Haut ähneln. Bisher wurden jedoch noch keine intelligenten Sensortextilien entwickelt, die äußere Gefahren wahrnehmen und Berührungen durch menschliche Finger präzise lokalisieren können.
Um dieses Ziel zu erreichen, hat das Team seidenbasierte ionische Hydrogelfasern (SIH) mit hervorragenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften hergestellt und darauf basierend ein intelligentes Sensortextil entwickelt, das schnell auf äußere Gefahren wie Feuer, Wasser usw. reagieren kann. Es kann den menschlichen Körper/Roboter vor Kratzern durch Eintauchen und scharfe Gegenstände schützen. Gleichzeitig wurden Sensortextilien entwickelt, die die Berührung menschlicher Finger spezifisch erkennen und genau lokalisieren können, sodass sie als flexible, tragbare Mensch-Computer-Interaktionsschnittstelle verwendet werden können, um Menschen bei der bequemen Steuerung von Remote-Terminals zu unterstützen. Durch kontinuierliches Nassspinnen und Lösungsmittelaustausch hergestellte SIH-Fasern haben aufgrund ihrer inneren teilkristallinen, hochorientierten Struktur und der Zugabe ionischer Flüssigkeiten eine hervorragende Bruchfestigkeit (55 MPa), Duktilität (530 %) und Stabilität. Außerdem haben sie eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit (0,45 S·m–1). Auf Basis dieser Faser entwickelte Gewebe zeigen ein wichtiges Anwendungspotenzial in Bereichen wie intelligenten tragbaren Geräten und flexiblen Mensch-Computer-Interaktionsschnittstellen.
Herstellung von SIH-Fasern durch Nassspinnen + Lösungsmittelaustauschmethode
Herstellungsprozess, Morphologie, Webbarkeit und flexible elektrische Anwendungen von SIH-Fasern.
Zusammensetzung und strukturelle Charakterisierung von SIH-Fasern
Thermogravimetrische Analyse, energiedispersive Spektroskopie (EDS) und Infrarotspektroskopie bestätigten die gleichmäßige Verteilung von [Emim]BF4 in der SIH-Faser. Der Gewichtsverlust bei 350 °C in der thermogravimetrischen Kurve wird [Emim]BF4 zugeschrieben. Das Element F im EDS-Spektrum gehört zu [Emim]BF4. Der Peak bei 1169 cm–1 im Infrarotspektrum kann der asymmetrischen Schwingung von C-N-C im [Emim]+-Ring zugeordnet werden. Gleichzeitig bewiesen Infrarotspektren und Polarisationsmikroskopaufnahmen die teilkristalline und hochorientierte Struktur der SIH-Fasern.
Mechanische und elektrische Eigenschaften von SIH-Fasern
SIH-Fasern weisen hervorragende mechanische und elektrische Eigenschaften auf. Ihre Zugfestigkeit und Bruchdehnung erreichen 4 MPa bzw. 530 %. Durch weiteres Ziehen (vor dem Lösungsmittelaustausch) kann die Zugfestigkeit auf 55 MPa erhöht werden, was um ein Vielfaches höher ist als bei bisher bekannten Hydrogelfasern (<10 MPa). Ihre Ionenleitfähigkeit kann 0,45 S·m–1 erreichen und bleibt auch nach dreiwöchiger Lagerung oder unter verschiedenen mechanischen Einflüssen (Druck, Biegen, Dehnen) stabil.
Spezifische Erkennung von Gefahrensignalen durch SIH-Fasern
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Die elektrische Reaktion und der Mechanismus von SIH-Fasern auf Feuer, Wasser und scharfe Gegenstände demonstrieren mögliche Anwendungen bei der Erkennung von Gefahren.
Durch die Integration von SIH-Fasern in handelsübliche Handschuhe wurde ein intelligenter Schutzhandschuh für bionische Roboterhände entwickelt. Bei gefährlichen Bedingungen (Feuer, Wasser und scharfe Gegenstände) erzeugen intelligente Handschuhe charakteristische elektrische Signale, um diese Gefahren präzise zu erkennen.
Berührungssensorische Anwendung von SIH-faserbasierten Stoffen
Darüber hinaus haben wir mithilfe von SIH-Fasern Fasern und Gewebe entwickelt, die die Berührung menschlicher Hände gezielt erkennen und präzise lokalisieren können. Die Herstellung von SIH-faserbasierten Geweben erfolgte zunächst durch Integration einzelner SIH-Fasern in handelsübliche Gewebe oder durch Einweben in Leinwandbindungen. Durch das Design des Schaltkreissystems kann der von der Hand berührte Punkt oder Bereich gezielt identifiziert und präzise lokalisiert werden. Dies unterscheidet es von piezoresistiven oder kapazitiven Sensorgeweben, die auf jeden Objektkontakt/-druck reagieren. Wenn Menschen Gewebe aus SIH-Fasern tragen, können sie entfernte Terminals durch Berühren steuern.
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