高度な機能性材料: セルロースベースの複合スマート繊維と織物の 3D プリント

高度な機能性材料: セルロースベースの複合スマート繊維と織物の 3D プリント
出典: 高分子科学の最前線

繊維材料は、幅広い用途と優れた機械的特性という特徴を備えており、将来の材料科学研究と応用の重要な方向の 1 つです。しかし、現在の繊維材料は構造、組成、機能が比較的単純な傾向があり、幅広い分野への応用が制限されています。たとえば、ほとんどのポリマー繊維材料は絶縁材料であるため、電子機器や将来のスマートウェアラブル繊維への応用は大きく制限されます。さらに、インテリジェントな応答機能を備えた繊維材料や織物を、簡単な製造方法で効率的に製造し、複雑な環境下での多刺激応答性を実現することも、緊急に解決する必要がある大きな課題です。

上記の困難を克服するために、同済大学第十人民病院の陳鋒研究員率いるチームは、北京林業大学の馬明国教授および上海大学の張娟教授と共同で、3Dプリント戦略を使用して、サイズと形態が適切に制御されたMXene強化ナノセルロースベースのスマート繊維と織物を作製しました(図1)。本研究では、エタノール中のナノセルロース分散液の溶媒交換および自己組織化特性を利用して、連続的で安定したマクロスケールのナノセルロースコロイド繊維の調製を実現し、適切な量のMXeneを添加することで、複合繊維の機械的特性と導電性が大幅に改善されました。さらに、本研究では、ナノセルロースとMXeneの相互作用を利用することで、均一な構造を持つMXene/ナノセルロース複合スラリーをさまざまな複雑な形状の繊維織物に簡単に3Dプリントすることができます(図2)。

図 1. (a) スマート繊維織物の製造プロセスの概略図、(b、c) 単層 MXene の分散および透過型電子顕微鏡画像、(d、e) ナノセルロースの分散および透過型電子顕微鏡画像、(f) 3D プリントされた複合スラリーがエタノールで形成されます。(g) 乾燥後のナノセルロース/MXene 複合繊維 図 2. (af) 複合スラリーがエタノールでさまざまな形状に 3D プリントされます。(g) 複合繊維の元素分布図、(h) 複合繊維の原子モデル図 研究により、製造された MXene/ナノセルロース複合スマート繊維と織物は、優れた光熱応答能力と電熱応答能力を持つことが示されています (図 3)。さらに、近赤外線の強度と入力電圧が増加すると、繊維織物の応答性がより顕著になります。プリントされた複合繊維織物をセンサーに組み込むと、指の曲げ、手首の曲げ、嚥下、発音などの人体の動きをリアルタイムでモニタリングできるようになります。この新しいタイプのスマートファイバーは、ウェアラブル加熱繊維、人間の健康モニタリング、ヒューマンマシンインターフェースなど、幅広い応用が期待されています。

図 3. (a、b) 複合繊維の光熱変換曲線、(c、d) 複合繊維の電熱変換曲線と熱画像、(e、f) スマート繊維織物センサーによる人間の指の曲げと嚥下動作のリアルタイム監視。上記の研究成果は、「3D プリントされたスマート繊維と織物のための MXene 強化セルロースナノフィブリルインク」というタイトルで、Advanced Functional Materials にオンラインで公開されました。論文の第一著者は博士課程学生のCao Wentao氏であり、責任著者はChen Feng研究員、Ma Mingguo教授、Zhang Juan准教授です。

論文リンク:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201905898

セルロース、複合材、スマート、繊維、生地

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