第一作者：Antonio Proctor Martinez
通讯作者：Shu Yang
通讯单位：宾夕法尼亚大学
DOI: 10.1002/adfm.202422176
背景介绍
近年来，纤维致动器在人造肌肉和智能纺织品等应用中的使用一直在稳步增加。当纤维由对环境敏感的材料制成时，可以利用材料智能来制造具有增强的可穿戴性、灵巧性和智能的活性纺织品和软机器人。从用于这些应用的响应性软材料池中，包括水凝胶、形状记忆聚合物（SMP）和介电弹性体，液晶弹性体（LCE）是可逆的、双向的SMP，对创建环境响应的纤维致动器特别感兴趣。轻度交联网络中液晶（LC）介晶的固有各向异性允许敏捷和各向异性变形，并在加热到向列相到各向同性转变温度（TNI）以上时提供了编程复杂形状变换的机会。将LCE制造成不同直径的细丝，为探索纺织工程中的分层结构提供了机会，通过编织、针织和捻合实现可编程、主动的纺织品，并为机器人平台实现地形探索、微型工程和仿生运动。LCE长丝加工方法的发展在过去十年中蓬勃发展，并且已经证明了许多实验室规模的技术，如静电纺丝、熔体拉伸/增材制造、溶液纺丝和微流体。他等人。具有静电纺丝UV交联LCE微纤维（直径≈10-100 µm），这些微纤维在静电收集板上形成网状。然而，静电纺丝方法不能以单一、连续的方式加工长丝。Hou等人开发了一种用于生产连续长丝（直径≈0.16-294 µm）的溶液纺丝技术，但它需要高度特异性和精心放置的紫外线灯进行自由基交联。在这两种技术中使用挥发性溶剂会使针头容易堵塞。到目前为止，为了收集有形的长丝，最常用的是紫外线交联，其中光穿透整个纤维直径很重要。已经证明，小粒径薄至≈160 nm。然而，由于光穿透性差，紫外线交联的要求可能会阻碍大直径LCE长丝的快速和可扩展生产。迄今为止，在LCE加工技术方面的努力忽视了可扩展LCE长丝制造中直径较大的一端。因此，需要一种通用的制造技术，可以快速、连续和可扩展地制造各种直径的纤维LCE。
人体生物肌肉的运动具有敏捷性、力量性和灵活性。具体来说，肌肉骨骼系统依赖于不同大小的捆绑和分级肌肉纤维，以在人体内实现灵巧和快速的动作。LCE细丝的分层结构对人造肌肉特别感兴趣，在人造肌肉中，细和粗细丝尺寸都被用来模拟生物肌肉。LCE是一种有前景的候选者，可以应用商业上可行的纺织制造工艺，如湿法纺丝，这是一种从Nomex或Kevlar等芳香族LC聚合物中制造各种尺寸纤维的流行方法。
本文亮点
1. 本工作介绍了一种湿法纺丝方法，用于石墨烯/LCE复合长丝的可扩展制造。
2. 通过双扩散机制，石墨烯/LCE前体在不使用紫外线的情况下迅速交联成有形的细丝，而是利用溶剂交换和高催化剂流入。多畴石墨烯/LCE长丝的连续生产速度可达4500 m h-1。
3. 通过石墨烯和LCE基质之间的π-π相互作用，可以获得具有高完整性的宽直径范围（137至1128 µm）的复合石墨烯/LCE丝，在3秒内分别实现高达3.66 MPa和44%的致动应力和应变。
图文解析
图1. 通过双扩散湿法纺丝工艺制造LCE长丝。a） 湿法纺丝过程中使用的油墨试剂和凝固浴溶剂的化学结构和相应示意图。b） 湿法纺丝加工技术示意图。该技术被简化为三个部分：i）用DMSO挤出未交联的LC低聚物纺丝液，ii）通过DMSO的向外扩散和丙酮和DBU的向内扩散对LCE长丝进行双扩散凝固，iii）收集多域LCE长丝。c） 在25°c下测量的不同DMSO负载下LC试剂和纺丝液的粘度与剪切速率的函数关系。d、 e）d）LC试剂和e）含有20 wt.%DMSO的纺丝液的剪切储能（G′）和损耗（G”）模量与角频率的对数图。
图2. 使用共聚焦拉曼光谱对湿纺LCE长丝进行表征。a） 拉曼光谱样品制备和程序的示意图。b） 凝固浴中使用的纺丝液（不含DMSO）和各种溶剂的拉曼光谱。c） 使用18号针凝固5秒的LCE细丝的拉曼光谱聚焦于与DMSO相关的c-s不对称和对称拉伸带。
图3. 湿法纺丝LCE长丝的优化和表征。a） 不同二硫醇与交联剂比例的湿法纺丝LCE长丝的应力-应变曲线。b） 不同针距湿纺LCE长丝的应力应变曲线。c） 用27号针制造的湿纺LCE长丝的SEM图像。d） 装载有0.75重量%石墨烯并用27号针制造的湿纺石墨烯-LCE复合长丝的纵向（左）和横截面（右）SEM图像。e） 不同石墨烯负载下石墨烯/LCE复合丝的应力-应变曲线。f） 通过光学显微镜测量石墨烯-LCE复合丝的直径。红线表示所用相应针规的内径。
图4. 湿纺石墨烯/LCE复合丝的致动特性。a） 湿纺长丝驱动机制的图示。b） 石墨烯/LCE复合丝的DSC表征。c） 不同针距制备的石墨烯/LCE复合丝的致动应力曲线。d） 用27号针制备的石墨烯/LCE复合丝在温度升高时的致动应力循环表征。e、 f）用27号针制造的石墨烯/LCE复合丝的e）致动应力和f）应变的时间特征。g） 直径为162 µm的石墨烯/LCE复合丝举重的数字图像。
图5. 石墨烯/LCE细丝具有广泛的直径和作为人造肌肉的应用。a）由所检查的每个针规制成的石墨烯/LCE长丝的数字图像，b）由本研究中使用的最大（左）和最小（右）针直径制成的长丝卷轴。c）石墨烯/LCA复合长丝的致动应力曲线，其特征是在不同直径下施加应变的增加。d） 石墨烯/LCE复合丝的致动应变曲线，其特征在于不同直径下施加的载荷增加。e） 湿纺长丝作为人造肌肉的演示：咬肌（上）、肱二头肌（中）和股四头肌（下）。红色虚线表示人造肌肉的运动。比例尺：1厘米。
图6. 湿法纺丝工艺与石墨烯LCE复合丝的规模和性能比较。a） 对LCE长丝的不同加工技术（湿法纺丝/这项工作、静电纺丝、微流体、增材制造、溶液纺丝）的制造直径进行浮动棒比较。湿纺棒上的黄色星形代表本研究中测试的针直径。b）LCE长丝的各种加工技术（溶液纺丝、增材制造和湿纺）的驱动和加工参数的雷达图比较。
信息来源：柔性传感及器件
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