Le fibre polimeriche estensibili hanno un impatto significativo, sebbene la loro produzione richieda metodi ambientali rigorosi e un consumo di risorse. Il processo è impegnativo per i polimeri elastici con filabilità ridotta e prestazioni elevate, come siliconi, polidimetilsilossano ed ecoflex.
Guoxu Zhao e un team di scienziati in ingegneria medica, scienza dei materiali e scienze della vita in Cina, hanno presentato un metodo di filatura microfluidica assistita da idrogel per affrontare tali sfide, che hanno realizzato incapsulando i prepolimeri all'interno di idrogel lungo, protettivo e sacrificale fibre.
La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Science Advances .
Hanno progettato apparati semplici e regolato gli autoadattamenti fluidici e interfacciali dei flussi di olio/acqua per produrre con successo fibre con un diametro ampiamente regolamentato, una lunghezza notevole e un'alta qualità. Il metodo ha consentito un rimodellamento semplice ed efficace delle fibre elicoidali per un'eccezionale elasticità e regolazione meccanica.
Le fibre hanno potenziali applicazioni come componenti tessili e dispositivi optoelettronici. Il metodo fornisce un percorso efficace per produrre in serie fibre elastiche di alta qualità.
Le fibre intrinsecamente estensibili hanno applicazioni diffuse rispetto alle fibre non estensibili, dove le fibre estensibili possono mantenere le loro funzioni sotto dinamica meccanica per realizzare usi specifici. I polimeri estensibili possono essere incorporati per sviluppare biomateriali e bioelettronica con crescente attenzione ottenuta per la loro capacità di conformarsi al corpo umano.
Tuttavia, la fabbricazione su larga scala e l’uso di materiali sono limitativi nell’ambito dei polimeri elastici filabili, tra cui poliuretano e poli (stirene-co-etilene butilene-co-stirene). I materiali possono essere lavorati utilizzando metodi di filatura tradizionali.
Tali polimeri filabili possono essere preparati in fusioni o soluzioni che hanno la forma di fluidi simili a fibre. Gli idrogel di alginato, così formati tra molecole di alginato e cationi, sono ampiamente utilizzati per la loro biocompatibilità, biodegradabilità e proprietà meccaniche regolabili.
Per realizzare una tecnica di filatura adatta per prepolimeri a cottura lenta e in fase oleosa, il team ha sviluppato un sistema di filatura microfluidica per incapsulare i prepolimeri con fibre di idrogel di alginato e ha studiato i relativi meccanismi e le influenze.
Il metodo di filatura microfluidica assistita da idrogel (HAMS)
Un metodo di filatura microfluidica assistito da idrogel semplice, efficace e scalabile può, a temperatura ambiente in assenza di un solvente organico, produrre fibre elastiche a base di prepolimeri in fase oleosa. I prepolimeri e la soluzione acquosa di alginato di sodio possono essere coestrusi in una soluzione acquosa di cloruro di calcio per creare una fibra/guscio di idrogel. Il metodo HAMS può realizzare geometrie di fibra per rimodellare la produzione di fibre elicoidali. Il potenziale applicativo del metodo è dimostrato producendo fibre da diversi prepolimeri per studiarne la versatilità.
Il gruppo di ricerca ha studiato l'influenza della viscosità del flusso sulla filatura delle fibre utilizzando polidimetilsilossano liquido (PDMS) e PDMS tissotropico, che rispondevano in modo diverso alle velocità di flusso.
Gli scienziati hanno esplorato l'applicabilità del metodo HAMS utilizzando Ecoflex, silicone neutro e PDMS composito di nanotubi di carbonio. Il metodo HAMS è molto promettente per la produzione di fibre elastiche basate su prepolimeri in fase oleosa. Gli scienziati hanno ulteriormente esplorato il modo in cui l'autoadattamento fluidico e interfacciale mediava i meccanismi di rotazione della fase oleosa. Le fibre filate sviluppate tramite il metodo HAMS sono un idrogel protettivo e flessibile per proprietà meccaniche e funzioni favorevoli.
Il team ha rimodellato le strutture elicoidali sollevando le fibre spinte dall'aria dalla soluzione di cloruro di calcio e avvolgendole su modelli di aste per formare fibre elicoidali con strutture uniformi, un'ampia gamma di dimensioni ed eccellente stabilità. Il metodo offre un approccio ampiamente regolamentato per creare fibre elicoidali estremamente elastiche. Con questi principi di base, le strutture elicoidali regolari possono essere avvolte in modo semplice ed efficace per produrre fibre elicoidali.
Zhao e colleghi hanno valutato il ruolo delle miscele reologiche del prepolimero con diversi rapporti volumetrici di PDMS e hanno messo a punto le dimensioni dell'ago per indicare la possibilità di realizzare il metodo di filatura microfluidica assistito da idrogel. Sebbene questo processo di incapsulamento di oli a bassa viscosità con fibre di idrogel sia ben studiato, è importante studiare i meccanismi e le strategie di ottimizzazione del metodo di filatura microfluidica assistita da idrogel.
Hanno inoltre studiato le prestazioni di rilevamento dei dispositivi indossabili delle fibre ottiche PDMS per creare segnali di flessione e tocco delle dita adatti a inserire e trasmettere informazioni Morse; come sensori meccanici indossabili.
Zhao e colleghi hanno studiato ulteriormente le prestazioni di rilevamento meccanico delle fibre, dove la resistenza rispondeva con precisione allo stiramento ciclico con deformazioni diverse. I risultati hanno evidenziato il potenziale applicativo del metodo per produrre sensori di deformazione indossabili diritti a base di fibra e conduttori ultraestensibili.
Prospettive
In questo modo, Guoxu Zhao e il suo team hanno sviluppato un metodo di filatura microfluidica assistito da idrogel per produrre prepolimeri in fase oleosa a cottura lenta, basati su fibre estensibili. Questo metodo di filatura microfluidica assistito da idrogel può essere condotto senza sciogliere o sciogliere i polimeri tramite un elevato consumo di energia o solvente organico, come strategia economicamente e ambientalmente favorevole. Utilizzando prepolimeri a polimerizzazione rapida insieme a una siringa bicomponente e una testa di miscelazione, il processo di polimerizzazione può essere accelerato.
Ulteriori informazioni: Guoxu Zhao et al, Filatura microfluidica assistita da idrogel di fibre estensibili tramite autoadattamenti fluidici e interfacciali, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj5407
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