CN117344404A - 基于可聚合深共晶溶剂的多肽离子导电纤维、制备与应用 - Google Patents

基于可聚合深共晶溶剂的多肽离子导电纤维、制备与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于可聚合深共晶溶剂的多肽离子导电纤维、制备与应用，其主要制备原料包括：丙烯酸及衍生物、氯化胆碱和生物质。丙烯酸‑氯化胆碱有效溶解了生物质，溶解度12％。利用紫外光引发原位聚合法，环境友好构建含有多重化学键作用的非水基高拉伸离子导电弹性纤维。本发明的PAC‑FP纤维保持原液的颜色，实现了生物质色素的原液着色；当FP浓度18wt％时，纤维断裂伸长率990％，断裂强度1.1MPa。在形变率为300％时，纤维表现出良好的阻尼性能；得益于纤维中大量的多重氢键，纤维具有自修复性能和高低温稳定性；PAC‑FP纤维良好的离子导电性，使其适用于多种模式下的应力应变传感。

Description

基于可聚合深共晶溶剂的多肽离子导电纤维、制备与应用
技术领域
本发明涉及导电弹性纤维技术领域，尤其涉及基于可聚合深共晶溶剂的多肽离子导电纤维、制备与应用。
背景技术
随着可穿戴电子产品、柔性触屏设备和柔性储能器件等领域的飞速发展，柔性可拉伸导电弹性纤维受到科研工作者越来越多的关注。传统导电弹性纤维通常是直接在弹性纤维表面进行导电改性处理获得。尽管这种策略能够制备良好电导率的纤维，但刚性导电层的存在不利于导电弹性纤维的拉伸率，尤其是大拉伸倍数下的导电行为。作为另一种典型的导电弹性纤维，水凝胶基导电纤维因其良好的电导率、机械性能和透明度的优势(在室温或稍高的温度下)而被广泛的研究。但水凝胶基纤维仍然面临着诸多挑战，如长时间使用或面对极端环境(如高温或低温)时，水凝胶中的水容易蒸发或凝固，从而导致纤维功能失效。与水凝胶纤维相比，离子凝胶高的化学稳定性、热稳定性和离子导电性等特点，使其可更广泛地用于可拉伸柔性穿戴设备中。
离子液体作为离子凝胶纤维的重要组成部分，虽然在热稳定性和离子电导率等方面表现良好，但高的成本、差的可回收性和较大的毒性极限制了其大规模应用。近年来，由氢键供体(HBD)和氢键受体(HBA)构成的低共熔溶剂(Deep eutectic solvents，DES)被公认为是一种绿色的离子型溶剂。低价格、低毒性、可生物降解和制备方法简单的DES有望在一些领域替代传统离子液体。为了进一步提升溶剂体系的绿色可持续性，研究人员发展出了一种以可聚合单体为HBA或HBD的新型可聚合深共晶溶剂(polymerizable deepeutectic solvents，PDES)，PDES凝胶的高倍拉伸性与制备成本等问题仍需要解决。
羽毛多肽是动物羽毛的基本单元，其氨基酸含量高(70％以上)且种类丰富。全球每年产生数百万吨羽毛原料，约80％的羽毛通常被当做垃圾焚烧或填埋处理。废弃羽毛等蛋白质资源的不正确处理和应用，不仅造成资源浪费，还会污染环境和滋生细菌，严重危害人类的生活环境造成。作为地球上来源丰富的生物质资源，羽毛的利用率低已成为困扰人们的一个难题。研究人员也试图通过强酸或强碱等化学试剂来处理废旧羽毛实现羽毛的溶解与再利用，但这些溶解方法面临着较为苛刻的化学环境，对环境不友好。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出基于可聚合深共晶溶剂的多肽离子导电纤维、制备与应用，通过紫外光原位聚合在聚丙烯酸及衍生物网络中引入含有多活性基团的生物质多肽分子，构建含有多重化学键作用的非水基高拉伸离子导电弹性纤维。
本发明提出的基于可聚合深共晶溶剂的多肽离子导电纤维，由下述原料组成：丙烯酸及衍生物、氯化胆碱和生物质。
本发明提出的基于可聚合深共晶溶剂的多肽离子导电纤维的制备，方法步骤如下：
S1：将丙烯酸及衍生物和氯化胆碱加热混匀，得可聚合深共晶溶剂；
氯化胆碱还可以为氢氧化胆碱或有机胺类物质。
S2：将羽毛加入无水乙醇中进行预处理后，将预处理后的生物质加入到还原液中，在60～100℃下反应0.5～5h后过滤、洗涤，冷冻干燥；再加入到碱液中，在80～130℃条件下处理20～60min，过滤，滤液进行酸析，至絮状物析出，经离心、洗涤、真空干燥后得到处理后的生物质粉末；
S3：将步骤S2处理后的生物质粉末溶解于步骤S1可聚合深共晶溶剂中；
S4：继续加入光引发剂和交联剂，均匀后经UV光聚合，即得基于可聚合深共晶溶剂的多肽离子导电纤维。
优选地，S1中丙烯酸衍生物为烯酸酯、丙烯酸酯、丙烯酰胺、丙烯腈中一种。
优选地，S4中光引发剂为紫外光引发剂，2959、907、TPO、184、1173、DETX、ITX中一种；S4中交联剂为聚合物交联剂，聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇甲基丙烯酸酯中一种；S2中生物质为含蛋白质物质，为羽毛、蚕丝、羊毛、奶粉、豆粕、干酪素中一种。
优选地，S1中氯化胆碱和丙烯酸及衍生物的摩尔比为1:2-2.2；S1中加热混匀的温度为85-95℃，时间2-4h。
优选地，S3中羽毛多肽的添加量为可聚合低共熔溶剂的3-24wt％。
优选地，S4中光引发剂2959的添加量为相对丙烯酸的摩尔量的0.05-0.15％。
优选地S4中交联剂的添加量为相对丙烯酸及衍生物摩尔量的0.1-1.2％。
本发明提出的上述方法制备的羽毛多肽离子导电弹性纤维。
本发明提出的上述羽毛多肽离子导电弹性纤维在传感器中的应用。
本发明的有益技术效果：
1、本发明丙烯酸及衍生物-氯化胆碱可聚合深共晶溶剂能够有效溶解羽毛多肽，其溶解度为12％。通过紫外光原位聚合在聚丙烯酸网络中引入含有多活性基团的生物质多肽分子，构建含有多重化学键作用的非水基高拉伸离子导电弹性纤维。由于含有大量活性基团，多肽分子链的加入打破了聚丙烯酸分子链之间的强氢键作用，使得聚丙烯酸分子链间在拉伸时能够产生更大程度的移动，有效提升离子凝胶的断裂伸长率。
2、同时，多肽分子能够在聚丙烯酸分子链之间形成良好的氢键桥联作用，打破了单一聚丙烯酸分子间强氢键，丰富了聚合物网络中的氢键种类，促使离子凝胶在高倍拉伸条件下仍然能够保持良好的力学性能。氯化胆碱的加入赋予了离子凝胶纤维导电性能，PAC-FP纤维良好的离子导电性使其适用于多种模式下的应力应变传感
3、在形变率为300％时，纤维仍然表现出良好的阻尼性能。得益于非水基PAC-FP纤维中大量的多重氢键，纤维还具有自修复性能和高低温稳定性(-50℃～90℃)。
4、经紫外光聚合后形成的PAC-FP纤维仍然保持着初始原液的颜色，实现了生物质色素的原液着色，避免了后期高污染的染色处理。
5、当FP浓度为18wt％时，PAC-FP凝胶纤维的断裂伸长率高达990％(升高1.86倍)，断裂强度仍然维持在1.1MPa。
6、无论在低拉伸比还是高拉伸比下往复拉伸，PAC-FP凝胶纤维每个循环的ΔR/R0数值都是十分接近，拉伸比(1％至200％)的增加会使ΔR/R0从0.6％增加至170％(图3c,d)。通过拟合ΔR/R0曲线计算了敏感系数(GF)与应变之间的关系，根据GF可将应变区域划分为三段，随着应变量的提升GF值从1.01升高至2.08。
7、利用废弃的羽毛制备生物质离子导电弹性纤维材料，不仅能够降低废弃蛋白对环境的污染，还能产生巨大的经济效益。本发明为生物质羽毛多肽材料的溶解和高值化利用提供了新的思路，同时为高弹性生物质离子导电凝胶纤维的制备提供了新的策略。
附图说明
图1为本发明提出的：(a)羽毛多肽导电弹性纤维的制备示意图、(b)不同羽毛多肽含量离子凝胶溶液的光学照片、(c)不同羽毛多肽含量离子凝胶溶液的POM、(d)不同羽毛多肽含量离子凝胶纤维的红外光谱图；
图2为本发明提出的：(a)不同交联剂浓度PAC纤维的应力-应变曲线、(b)含有不同浓度羽毛多肽PAC-FP纤维的应力-应变曲线、(c)12wt％羽毛多肽PAC-FP纤维高倍拉伸照片、(d)PAC纤维的循环拉伸应力-应变曲线、(e)12wt％羽毛多肽PAC-FP纤维的循环拉伸应力-应变曲线、(f)PAC-FP纤维和PU纤维缓冲自由落体带来的冲击力曲线、(g、h)不含羽毛多肽以及含有羽毛多肽PAC纤维在高倍拉伸下分子链运动演变机制分析、(i)PAC-FP纤维的粘附性能；
图3为本发明提出的：(a)PAC纤维与PAC-FP纤维的交流阻抗、(b)不同拉伸速率下PAC-FP纤维的应变传感、(c、d)不同拉升倍率下PAC-FP纤维的应变传感、(e)PAC-FP纤维在不同拉伸倍率下的GF、(f)PAC-FP纤维的多次循环拉伸应变传感、(g)贴附于指关节上PAC-FP纤维在不同弯曲角度下的ΔR/R0、(h)PAC-FP纤维用于监测人体不同部位运动的应变传感性能(喉结，眉梢，手腕，肘关节，膝关节)；
图4为本发明提出的：(a)PAC-FP纤维自愈合过程电学性能变化检测、(b)PAC-FP凝胶自愈合的显微镜照片、(c)切割前和自愈后PAC-FP纤维应用于检测手指弯曲-伸直运动的ΔR/R0变化；
图5为本发明提出的：(a)PAC-FP纤维的DSC曲线、(b)PAC-FP纤维的TG曲线、(c)PAC-FP纤维的DMA曲线、(d)PAC-FP在低温(-50℃)和高温(90℃)环境中24h处理后的可加捻性与拉伸性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
本发明中的丙烯酸及其衍生物、氯化胆碱，分析纯，购于上海阿拉丁科技有限公司；聚乙二醇二丙烯酸酯，平均分子量～200，上海阿拉丁科技有限公司；2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(光引发剂2959)，98％，上海麦克林生化科技有限公司。
实施例1
将氯化胆碱于65℃真空烘箱中烘燥2h，随后称取摩尔比为1:2的氯化胆碱和丙烯酸，将其置于密封的反应瓶中，在氮气保护下90℃水浴锅中持续搅拌3h；然后分批次向其中加入一定质量比的羽毛多肽于氮气保护下90℃加热至溶解，羽毛多肽添加量分别为可聚合低共熔溶剂的12wt％；光引发剂2959、PEGDA(光引发剂2959添加量为相对丙烯酸的摩尔量的0.1mol％，PEGDA添加量为相对丙烯酸的摩尔的0.1mol％，于常温下搅拌均匀，最后将混合液注入聚四氟乙烯中空微管中，UV光聚合10min。
实施例2
将氯化胆碱于65℃真空烘箱中烘燥2h，随后称取摩尔比为1:2的氯化胆碱和丙烯酸，将其置于密封的反应瓶中，在氮气保护下90℃水浴锅中持续搅拌3h；然后分批次向其中加入一定质量比的羽毛多肽于氮气保护下90℃加热至溶解，羽毛多肽添加量分别为可聚合低共熔溶剂的12wt％；光引发剂2959、PEGDA(光引发剂2959添加量为相对丙烯酸的摩尔量的0.1mol％，PEGDA添加量为相对丙烯酸的摩尔比的0.3mol％，于常温下搅拌均匀，最后将混合液注入聚四氟乙烯中空微管中，UV光聚合10min。
实施例3
将氯化胆碱于65℃真空烘箱中烘燥2h，随后称取摩尔比为1:2的氯化胆碱和丙烯酸，将其置于密封的反应瓶中，在氮气保护下90℃水浴锅中持续搅拌3h；然后分批次向其中加入一定质量比的羽毛多肽于氮气保护下90℃加热至溶解，羽毛多肽添加量分别为可聚合低共熔溶剂的12wt％；光引发剂2959、PEGDA(光引发剂2959添加量为相对丙烯酸的摩尔量的0.1mol％，PEGDA添加量为相对丙烯酸的摩尔比的0.6mol％，于常温下搅拌均匀，最后将混合液注入聚四氟乙烯中空微管中，UV光聚合10min。
实施例4
将氯化胆碱于65℃真空烘箱中烘燥2h，随后称取摩尔比为1:2的氯化胆碱和丙烯酸，将其置于密封的反应瓶中，在氮气保护下90℃水浴锅中持续搅拌3h；然后分批次向其中加入一定质量比的羽毛多肽于氮气保护下90℃加热至溶解，羽毛多肽添加量分别为可聚合低共熔溶剂的12wt％；光引发剂2959、PEGDA(光引发剂2959添加量为相对丙烯酸的摩尔量的0.1mol％，PEGDA添加量为相对丙烯酸的摩尔比的0.9mol％，于常温下搅拌均匀，最后将混合液注入聚四氟乙烯中空微管中，UV光聚合10min。
实施例5
将氯化胆碱于65℃真空烘箱中烘燥2h，随后称取摩尔比为1:2的氯化胆碱和丙烯酸，将其置于密封的反应瓶中，在氮气保护下90℃水浴锅中持续搅拌3h；然后分批次向其中加入一定质量比的羽毛多肽于氮气保护下90℃加热至溶解，羽毛多肽添加量分别为可聚合低共熔溶剂的12wt％；光引发剂2959、PEGDA(光引发剂2959添加量为相对丙烯酸的摩尔量的0.1mol％，PEGDA添加量为相对丙烯酸的摩尔比的1.2mol％，于常温下搅拌均匀，最后将混合液注入聚四氟乙烯中空微管中，UV光聚合10min。
实施例6
将氯化胆碱于65℃真空烘箱中烘燥2h，随后称取摩尔比为1:2的氯化胆碱和丙烯酸，将其置于密封的反应瓶中，在氮气保护下90℃水浴锅中持续搅拌3h；然后分批次向其中加入一定质量比的羽毛多肽于氮气保护下90℃加热至溶解，羽毛多肽添加量分别为可聚合低共熔溶剂的3wt％；光引发剂2959、PEGDA(光引发剂2959添加量为相对丙烯酸的摩尔量的0.1mol％，PEGDA添加量为相对丙烯酸的摩尔比的0.6mol％，于常温下搅拌均匀，最后将混合液注入聚四氟乙烯中空微管中，UV光聚合10min。
实施例7
将氯化胆碱于65℃真空烘箱中烘燥2h，随后称取摩尔比为1:2的氯化胆碱和丙烯酸，将其置于密封的反应瓶中，在氮气保护下90℃水浴锅中持续搅拌3h；然后分批次向其中加入一定质量比的羽毛多肽于氮气保护下90℃加热至溶解，羽毛多肽添加量分别为可聚合低共熔溶剂的6wt％；光引发剂2959、PEGDA(光引发剂2959添加量为相对丙烯酸的摩尔量的0.1mol％，PEGDA添加量为相对丙烯酸的摩尔比的0.6mol％，于常温下搅拌均匀，最后将混合液注入聚四氟乙烯中空微管中，UV光聚合10min。
实施例8
将氯化胆碱于65℃真空烘箱中烘燥2h，随后称取摩尔比为1:2的氯化胆碱和丙烯酸，将其置于密封的反应瓶中，在氮气保护下90℃水浴锅中持续搅拌3h；然后分批次向其中加入一定质量比的羽毛多肽于氮气保护下90℃加热至溶解，羽毛多肽添加量分别为可聚合低共熔溶剂的18wt％；光引发剂2959、PEGDA(光引发剂2959添加量为相对丙烯酸的摩尔量的0.1mol％，PEGDA添加量为相对丙烯酸的摩尔比的0.6mol％，于常温下搅拌均匀，最后将混合液注入聚四氟乙烯中空微管中，UV光聚合10min。
实施例9
将氯化胆碱于65℃真空烘箱中烘燥2h，随后称取摩尔比为1:2的氯化胆碱和丙烯酸，将其置于密封的反应瓶中，在氮气保护下90℃水浴锅中持续搅拌3h；然后分批次向其中加入一定质量比的羽毛多肽于氮气保护下90℃加热至溶解，羽毛多肽添加量分别为可聚合低共熔溶剂的24wt％；光引发剂2959、PEGDA(光引发剂2959添加量为相对丙烯酸的摩尔量的0.1mol％，PEGDA添加量为相对丙烯酸的摩尔比的0.6mol％，于常温下搅拌均匀，最后将混合液注入聚四氟乙烯中空微管中，UV光聚合10min。
采用扫描电子显微镜(SEM，Nova NanoSEM 450，美国FEI公司)在加速电压0.5～30kV下观察凝胶纤维的表面形貌。利用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR，Nicolet 6700，美国Thermal Scientific公司)选用反射模式对样品的化学基团进行分析，扫描范围400～4000cm-1，分辨率4cm-1，扫描次数32次，环境温度25℃。将纤维从聚四氟乙烯管中取出后，使用PT-1198GTD-C拉伸试验机测试离子凝胶纤维的力学性能，测试条件湿度50～60％，温度为20～25℃。取5-10mg纤维样品置于铝盘中在氮气氛下以10℃/min加热速率，使用采用差示扫描量热仪(耐驰DSC 3500)进行测试，温度范围为-70℃至100℃。使用TG 209F1 LibraDMA动态机械热分析仪对羽毛多肽离子凝胶膜(15×3×0.8mm)进行存储模量(G')和损耗模量(G')测量。频率扫描范围为1Hz，以1％的固定应变进行测试，温度范围为-70℃至90℃。采用PT-1198GTD-C拉伸试验仪设置不同拉伸速度和伸长率对羽毛多肽离子凝集纤维进行拉伸，拉伸应变期间配合吉时利DAQ6510数字式万用表及数据采集器收集电信号变化。
应变传感器的应变系数(GF)是测量应变传感器灵敏度的重要指标之一。GF可以通过公式(1-1)进行计算：
式中：ΔR为电阻变化量，R0为离子凝胶无应变的初始状态下电阻值，单位Ω；ε为拉伸应变，单位％。
使用CS型电化学工作站，采用金属铂片为对电极、硫酸亚汞电极为参比电极和离子凝胶纤维为工作电极，以2mol/L的NaCl水溶液为电解质组成三电极测试系统，截取长度为10mm离子凝胶纤维测试工作电极的电化学性能。交流阻抗法(EIS)测试所采用的交流振幅设置为5mV，频率设置为0.01～10000Hz，电压均为-1～0V。
为了实现结构稳定且可高倍拉伸生物质弹性导电纤维的绿色制备，本工作以丙烯酸和氯化胆碱为可聚合低共熔溶剂，选用含有多活性基羽毛多肽为生物质氢键供给单元，通过加热处理将羽毛多肽溶解于PDES中形成均匀的混合液，利用紫外光原位聚合构筑生物质可高倍拉伸弹性导电纤维(图1a)。随着混合液体系中羽毛多肽含量的增加，羽毛细胞中溶出的色素分子浓度也会逐渐升高，混合液的颜色从透明加深至黑褐色(图1b)。令人兴奋的是，经紫外光聚合后形成的PAC-FP纤维仍然保持着初始原液的颜色，实现了生物质色素的原液着色，避免了后期高污染的染色处理。相较于透明离子导电弹性纤维，本文所制备的有色PAC-FP纤维将更有利于保护隐私安全。然而，PDES对羽毛多肽的溶解度是有一定的上限。当羽毛多肽的溶解量达到18％时，混合液中开始出现少许未溶解的多肽颗粒。随着FP含量的进一步提升，未溶解颗粒物越多(图1c)。这可能是因为羽毛多肽中的氨基等极性基团与溶解体系中丙烯酸所提供的自由氢质子形成结合，导致大量的丙烯酸被多肽链吸引，结合的丙烯酸能够破坏多肽分子间的相互作用造成多肽溶解，但溶解体系中丙烯酸的浓度一定，提供的自由氢质子数量有限，所以FP不能无限溶解。此外，由于PDES中的丙烯酸能够在光引发的条件下发生聚合反应，这使得丙烯酸-氯化胆碱既可以作为溶剂，又可以作为聚合物单元。从FTIR光谱图中可以看出含有羽毛多肽的PDES，在3360cm-1处的-OH峰向低波数偏移，同时3245和1640cm-1处氨基特征峰的峰强增加，这表明多肽分子被引入PAA网络中，同时伴随有新的氢键生成。由此可以推断，多肽分子的引入打破了PAA分子链间的氢键作用，形成了聚丙烯酸分子-多肽分子链之间氢键桥联(图1d)，丰富了聚合物网络中的氢键种类。
机械性能是弹性导电纤维的重要指标之一。众所周知，交联剂的用量直接影响聚合物网络的力学行为。通常情况下，交联剂的用量越高所制备的聚合物网络断裂强度越高，但断裂伸长率越低。因此，为了获得良好断裂强力弹性纤维，交联剂的用量是十分关键的参数。图2a展示了不同交联剂用量下所制备PAA-ChCl凝胶(PAC)纤维的力学性能。随着交联剂含量的增加，由于交联密度提升，PAA分子链运动的束缚增强，PAC凝胶纤维的断裂伸长率逐渐降低。但断裂强度先升高后降低，这可能是因为高浓度的交联剂在PAA分子网络中分布不均匀导致PAC凝胶纤维局部区域交联密较低，在拉伸过程中低交联密度区容易出现应力集中从而产生断裂。在交联剂用量为0.6mol时，PAC凝胶表现出良好的断裂伸长率(530％)和断裂强度(2.8MPa)。羽毛多肽的加入显著提升了PAC弹性凝胶纤维的断裂伸长率。由图2b可知，PAC-FP凝胶纤维的断裂伸长率与FP浓度呈正相关。令人惊讶的是，当FP浓度为18wt％时，PAC-FP凝胶纤维的断裂伸长率高达990％(升高1.86倍)，断裂强度仍然维持在1.1MPa。图2c为含有12wt％FP PAC-FP纤维的高倍拉伸过程光学照片。
弹性导电纤维在实际应用过程中会面临着多次的拉伸，其弹性回复率将直接决定循环使用性能。从循环拉伸应力-应变曲线可以看出PAC凝胶纤维在经过一次高倍拉伸后发生严重的非弹性形变难以恢复至初始状态(图2d)。有趣的是，PAC-FP经过五次拉伸后仍然具有回复率，并表现出一定的阻尼性能(图2e)，这意味着FP还可以增强PAA离子凝胶纤维的弹性。为了展示阻尼性能的应用，我们记录了由自由落体物体引起的振荡力，该物体被绑在2厘米长的纤维上并从2厘米的高度掉落。在相同条件下，聚氨酯纤维产生的最大冲击力比PAC-FP凝胶纤维的高(图2f)。同时，PAC-FP凝胶纤维振荡力的衰减也快得多。上述系列现象的产生可能归因于：PAA-ChCl聚合物网络中含有大量活性基团多肽分子链的加入，打破了聚丙烯酸分子链之间的强氢键结合，在PAA分子链间起到润滑增塑作用，使得聚丙烯酸分子链间在拉伸时能够产生更大程度的移动，提升离子凝胶的断裂伸长率。同时，多肽分子能够在聚丙烯酸分子链之间形成良好的氢键桥联作用，丰富了聚合物网络中的氢键种类，促使离子凝胶在高倍拉伸条件下仍然能够保持良好的力学性能(图2g,h)。然而，没有多肽掺杂的PAA交联离子凝胶网络在高倍拉伸下容易产生分子链的断裂。此外，PAC-FP凝胶网络中含有的大量氢键及阳离子氯化胆碱使其对多种材料表面具有粘附性，有利于拓展PAC-FP凝胶纤维的应用(图2i)。
PAC-FP凝胶纤维中氯化胆碱的存在赋予了凝胶纤维离子导电性能。尽管加入高浓度的FP，PAA-ChCl凝胶的离子导电行为并未受太大影响(图3a)。在良好的力学性能和导电性支持下，PAC-FP凝胶纤维可用于多场景的传感。当以不同的拉伸速率(20,50,100,200mm/min)往复拉伸时，PAC-FP凝胶纤维均表现出良好的电学响应，电学响应的频率随拉伸速度的增加而增加，且在高速拉伸时也未出现迟滞现象(图3b)。无论在低拉伸比还是高拉伸比下往复拉伸，PAC-FP凝胶纤维每个循环的ΔR/R0数值都是十分接近，拉伸比(1％至200％)的增加会使ΔR/R0从0.6％增加至170％(图3c,d)。通过拟合ΔR/R0曲线计算了敏感系数(GF)与应变之间的关系，根据GF可将应变区域划分为三段，随着应变量的提升GF值从1.01升高至2.08，这说明PAC-FP凝胶纤维的灵敏度高，且使用范围广(图3e)。同时，PAC-FP离子凝胶还具有出色的应变传感稳定性(图3f)，在五十次的循环拉伸传感测试中，PAC-FP凝胶纤维前五次的ΔR/R0与最后五次的ΔR/R0差值在5％以内。
纺织品是人体的第二皮肤，除了对人体健康起到保护作用外，模拟皮肤对人体生命体征进行实时检测也是十分重要。纤维作为纺织品的基本单元，其传感功能的实现有利于对人体健康进行实时监测。随着人口老龄化及智能医疗器械的发展，应用于人体的多场景稳定传感智能纺织品的研发迫在眉睫。我们将PAC-FP纤维贴附于指关节部位，并记录指关节运动时PAC-FP凝胶纤维的传感性能。PAC-FP凝胶纤维的电信号变化程度随指关节弯曲角度的增加而增加，当指关节从90°到0°伸直过程时，电学信号基本恢复至初始状态。此外，我们还应用PAC-FP凝胶纤维记录了人体其他多个部位运动时的传感性能。总体而言，无论在大应变还是小应变情况下，PAC-FP凝胶纤维均表现出良好的应变传感性能，并且具有良好的传感稳定性。随着应变幅度的提升，PAC-FP凝胶纤维的信号变化强度也逐渐提升，这一结果与指关节运动监测数据变化趋势基本一致。因此，具有良好应变传感性能的PAC-FP凝胶纤维有望为智能生命体征检测纺织品的构筑提供一种方法。
良好的机械性能和传感性能是凝胶纤维多功能应用的基础。但凝胶纤维在使用过程中可能会受到外力的作用而产生微裂纹或断裂。因此，自愈合性能对凝胶纤维的电学稳定性至关重要。如图4(a)所示，当PAC-FP离子导电凝胶纤维被切断时，测试电阻急剧升高处于断路状态。随后我们将切断的两段纤维接触，接触后电阻的恢复几乎是在一瞬间完成，这意味着PAC-FP离子导电凝胶纤维电自愈能力优异。为了进一步说明凝胶具有自愈合性能，我们将被刀片切开两块凝胶贴在一起，并记录不同时刻凝胶中间裂纹的恢复情况。由于良好的自愈合性能，在室温条件下(28℃，RH 45％)经过48h后，凝胶中间的裂纹明显变浅(图4b)。自愈合后的PAC-FP离子导电凝胶纤维还展现出良好的力学性能，能够应用于检测手指关节的运动。如图4c，当手指弯曲时，ΔR/R0增加。当手指伸直时，ΔR/R0减小，并且切割前和自愈合后的PAC-FP离子导电凝胶纤维显示出几乎相同的ΔR/R0变化趋势。良好的自愈合性能和电稳定性毫无疑问对凝胶纤维的使用周期延长和使用安全性是积极的。
四季的更替使得我们生活环境的温度总是动态变化的。这就要求与环境直接接触的纤维材料必须具备良好的高低温稳定性。为此，我们对PAC-FP凝胶纤维的热稳定性进行了评估。根据图5a可以看出，在-70℃到80℃区间内，PAC-FP凝胶纤维的DSC曲线基本为一条平直的直线，仅在-15℃附近存在一个微弱的吸热峰。这可能是因为PAC-FP离子凝胶中分子链的松弛导致的。当温度进一步增加至72℃时，由于PAC-FP纤维中结合水的升华，DSC曲线出现一个较明显的吸热峰。通过图5b，我们也能清楚发现在70℃附近，PAC-FP凝胶纤维具有一个较为明显的失重峰，这一结果与DSC数据相匹配。TG温度为100℃时，PAC-FP凝胶纤维的质量保留率仍然高达94.6％，这说明纤维吸附的结合水含量较低，吸湿性也会提升纤维在穿着过程的热湿舒适性。通过DMA曲线能够PAC-FP凝胶纤维发现尽管PAC-FP为凝胶纤维，但其热稳定性优异。在100-150℃范围内，PAC-FP凝胶纤维的质量保留率基本维持在93％以上。为了直观的展示PAC-FP凝胶纤维的高低温稳定性，我们把凝胶纤维分别置于-50℃和90℃的环境中存放24h，随后对不同储存条件下的纤维进行加捻和拉伸(d)。结果表明，高低温处理后的纤维仍然保持着柔韧性和可拉伸性，在加捻和拉伸过程中并未发生断裂。良好的高低温稳定性使得PAC-FP凝胶纤维在智能纺织品中的应用成为可能。

Claims (10)

1.基于可聚合深共晶溶剂的多肽离子导电纤维，其特征在于：由下述原料组成：丙烯酸及衍生物、氯化胆碱和生物质。
2.根据权利要求1所述基于可聚合深共晶溶剂的多肽离子导电纤维的制备，其特征在于，方法步骤如下：
S1：将丙烯酸及衍生物和氯化胆碱加热混匀，得可聚合深共晶溶剂；
S2：将羽毛加入无水乙醇中进行预处理后，将预处理后的生物质加入到还原液中，在60～100℃下反应0.5～5h后过滤、洗涤，冷冻干燥；再加入到碱液中，在80～130℃条件下处理20～60min，过滤，滤液进行酸析，至絮状物析出，经离心、洗涤、真空干燥后得到处理后的生物质粉末；
S3：将步骤S2处理后的生物质粉末溶解于步骤S1可聚合深共晶溶剂中；
S4：继续加入光引发剂和交联剂，均匀后经UV光聚合，即得基于可聚合深共晶溶剂的多肽离子导电纤维。
3.根据权利要求2所述的基于可聚合深共晶溶剂的多肽离子导电纤维的制备，其特征在于，S1中丙烯酸衍生物为烯酸酯、丙烯酸酯、丙烯酰胺、丙烯腈中一种。
4.根据权利要求2所述的基于可聚合深共晶溶剂的多肽离子导电纤维的制备方法，其特征在于，S4中光引发剂为紫外光引发剂，2959、907、TPO、184、1173、DETX、ITX中一种；S4中交联剂为聚合物交联剂，聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇甲基丙烯酸酯中一种；S2中生物质为含蛋白质物质，为羽毛、蚕丝、羊毛、奶粉、豆粕、干酪素中一种。
5.根据权利要求2所述的羽基于可聚合深共晶溶剂的多肽离子导电纤维的制备方法，其特征在于，S1中氯化胆碱和丙烯酸的摩尔比为1:2-2.2；加热混匀的温度为85-95℃，时间2-4h。
6.根据权利要求2所述的基于可聚合深共晶溶剂的多肽离子导电纤维的制备方法，其特征在于，S3中羽毛多肽的添加量为可聚合低共熔溶剂的3-24wt％。
7.根据权利要求2所述的羽毛多肽离子导电弹性纤维的制备方法，其特征在于，S3中光引发剂的添加量为相对丙烯酸的摩尔量的0.05-0.15％。
8.根据权利要求1所述的基于可聚合深共晶溶剂的多肽离子导电纤维的制备方法，其特征在于，S4中交联剂的添加量为相对丙烯酸及衍生物摩尔量的0.1-1.2％。
9.如权利要求2-8任一项所述方法制备的羽毛多肽离子导电弹性纤维。
10.如权利要求9所述的羽毛多肽离子导电弹性纤维在传感器中的应用。
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