除了彈性十足、受傷能自動修復，遇到高溫燃燒還可以阻燃，同時傳遞信號連接無線終端實施預警。這些特性屬於一種新型離子皮膚材料，由上海科技大學物質科學與生命學院凌盛傑研究員課題組研製成功。課題組還利用這些特性開發出一種在極端條件下可通過無線信號傳遞預警信息的報警系統。這是7月16日記者在採訪凌盛傑課題組時了解到的信息。
新興領域備受關注
近年來柔性傳感器在可穿戴電子設備、觸控螢幕等領域的潛在應用備受關注。凌盛傑表示，離子皮膚其實就是使用離子液體、離子凝膠、水凝膠等材料作為彈性電介質的一類柔性傳感器，旨在模仿人類皮膚感知外部刺激。在上述3類離子皮膚中，最受關注的是水凝膠離子皮膚。
凌盛傑課題組以天然絲素蛋白(SF)和鈣離子為原料，通過不同的合成策略，製備出一種透明、可拉伸、可自修復、高生物安全、可阻燃且導電的離子皮膚材料(SFCIS)。
「離子皮膚由聚合物網絡和離子導電成分組成，前者作為框架使離子皮膚呈現彈性固體的形態，滿足柔性需求；後者可依離子導電的特徵對外部環境改變做出電信號響應。」凌盛傑介紹說，「我們使用天然生物大分子蠶絲作為離子導體凝膠的聚合物網絡框架材料，使得SFCIS具有高透明性和良好柔性，通過調控鈣離子含量可以控制SFCIS在不同環境中的力學性能。比如，在高溼度環境中，SFCIS具有良好的黏附性和自愈性；也可在不同溫度和溼度下保持良好的拉伸特性，伸長率高達1200%。此外，其導電性可達1.96毫西門子每釐米，符合人體穿戴的安全需求。」
阻燃特性值得探索
在此基礎上，課題組還發現離子皮膚的獨特阻燃特性，並對其阻燃機理進行了探索。凌盛傑介紹說，燃燒往往發生在一瞬間，為了探究燃燒過程中材料發生的化學反應過程，他們分析了不同反應階段下的材料組分變化。通過對比純絲蛋白體系和SFCIS體系的圖譜後，他們發現在鈣離子加入後，SFCIS中發生了一系列阻燃過程，包括脫水、碳化層膨脹、多層屏蔽和自由基淬滅。同時，在火焰炙燒下，SFCIS的電阻值會在初始期快速下降，並維持一段較長的穩定期，期間仍然可以導電。
基於這種獨特的性質，研究團隊設計開發出一種通過無線信號傳遞預警信息的火災報警系統。他們利用熱質聯用TGA-MS技術，配合對燃燒過程的氣體、形貌分析，分析材料的阻燃及燃燒機制。經實驗測試得到了極限氧指數為43%，發現蠶絲蛋白高於大多數常用的彈性高分子。
由此，這種可阻燃的離子皮膚既能避免電器失火的危險，也能在火災預警上有所作為。
工業化應用前景好
對於可能的應用前景，凌盛傑表示，由於離子導電的特性，這種離子皮膚的電阻會隨溫度、溼度等因素變化，可以設計為傳感器用於監測環境因素的變化，應用於條件較極端的環境(如火災預警)。它也可以直接作為阻燃隔層使用，用於應對森林火情等。
凌盛傑表示，這項成果為研究同類材料的燃燒機制提供了可行方案，也為基於離子導體的新型人造皮膚設計提供了新思路，對提升可穿戴設備安全性有重要的啟示。
此外，離子皮膚還具有很好的生物相容性、降解性、無毒性以及水凝膠本身的保溼性，可作為保鮮塗層使用。
在工業化應用上，這種離子皮膚的製備過程非常簡單，不需要高溫高壓等特殊條件。製備出的材料可利用水達到增塑效果，易於加工。另外，由於其具有環境友好性，大規模工業化生產不會帶來環境汙染，符合可持續發展戰略的要求。
（文章來源：中國化工報）