蚕丝基柔性透明导电薄膜的制备及应用

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蚕丝作为一种天然生物大分子,具有环境友好性、可再生性、可加工性、良好的生物相容性及可控的降解速率等综合优点,使其在生物电子材料的设计和研究中备受关注,并广泛应用于组织工程和柔性电子领域。智能电子产品呈现出向轻薄化、可穿戴、柔性透明导电设备发展的趋势,同时,高导电率和高透射率的柔性电极在智能电子设备中具有越来越突出的地位。然而,传统的电子产品使用电池驱动,这需要额外供能。因此,基于蚕丝柔性透明电极的自供能传感器在可穿戴和可植入式电子设备领域具有十分重要的研究意义。本文主要围绕蚕丝基柔性透明导电薄膜进行了以下四方面研究工作:1.丝素蛋白稳定溶液和柔性透明薄膜的制备通过高温高压法从蚕茧中分离提取丝胶蛋白和丝素蛋白。后者经溴化锂溶解,于超纯水中透析后获得浓度约为3 wt%的再生丝素蛋白水溶液。但丝素蛋白水溶液在透析和储存过程中容易变性形成凝胶和固体,且难以得到高浓度的丝素蛋白水溶液,不利于长期存放和后期加工使用。针对这一难题,本实验通过调节溶液呈碱性,显著提高了丝素蛋白在水溶液中的稳定性,丝素蛋白碱性溶液在4℃下存放120天后未见明显凝胶化现象。通过浊度法、原子力显微镜、核磁共振波谱、荧光光谱和衰减全反射傅里叶变换红外光谱研究表明,碱性物质主要通过破坏多肽链骨架间的氢键相互作用,以及酪氨酸侧基与其他基团之间的疏水相互作用,从而抑制了多肽链的构象由Random coil向β-sheet转变。由丝素蛋白碱性溶液制备的柔性透明薄膜具有光滑平整的表面及0.594 nm的粗糙度。2.基于银纳米线/丝素蛋白的柔性透明电极通过调节多元醇法晶核形成温度,实现了银纳米线(Ag NWs)的可控合成。在120℃下成核,于135℃反应3.5 h合成了平均长度165μm,最长794μm的Ag NWs。扫描电子显微镜形貌测试发现其端面为棱锥型,X射线衍射结果表明Ag NWs具有面心立方结构。使用旋涂法将浓度为7 mg/m L的Ag NWs悬浮液均匀的涂覆在丝素蛋白薄膜表面,旋涂5次后获得了薄层电阻均匀的透明电极,同时具有较高的透光度(90.3%)和较低的方块电阻(13.87Ω/?)。3.粘合剂原位还原制备低温干燥型高导电性银导电浆分别选择丝胶蛋白(SS)、丝素蛋白(SF)和聚乙烯醇(PVA)三种物质作为粘合剂,在碱性条件下原位还原硝酸银,形成银纳米颗粒(Ag NPs)均匀分散的复合基体。向其中加入50wt%的银纳米线,充分搅拌形成均匀的银导电浆。扫描电子显微镜下观察到聚乙烯醇作粘合剂制备的银导电浆具有更好的粘结性能,其在60°C可于10 min内快速干燥成型,体积电阻率为4.3581×10-5Ω·cm。4.银导电浆集成的蚕丝基自供能柔性透明传感器通过自制银导电浆粘结铜导线和蚕丝基透明薄膜制备柔性单电极摩擦纳米发电机(S-TENG),结果显示丝素蛋白薄膜与人体皮肤摩擦产生0-10 m V的电压信号,可作为自供能传感器监测人体健康活动信息。
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