ACS APPLIED MATERIALS INTERFACES:基于纤维素纳米纤维的坚韧多功能复合膜致动器面向智能可穿戴设备

文章中，报告了一种通过真空辅助过滤方法与Ti3C2Tx(MXene)和单宁酸(TA)集成，成功构建了一种基于纤维素纳米纤维(CNF)的薄膜驱动器，该驱动器具有高机械性能、优异的焦耳加热和抗菌能力。由于其独特的nacrelike结构和强氢键，复合膜的拉伸强度和韧性分别达到275.4 MPA和10.2 MJ·m−3.重要的是，CNF的亲水性和MXene纳米片的可变层间距赋予复合膜敏感的湿度响应和非凡的稳定性（1000次循环）。在MXene纳米片和TA的辅助下，复合膜不仅具有优异的焦耳加热性能，而且对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌都具有显著的抗菌性能。得益于上述优点，概念验证智能服装由制备的薄膜组装而成，能够调节湿度和温度。 

二、图文导读

如图1所示。 

图2 CNF-MXene-TA复合膜的表征。 图2a表面所得到的CNF-MXene-TA复合膜为明亮的黑色，折叠90°后表现出弹性，相应的横断面扫描电镜图像显示了整个薄膜中相当有序的紧密层状微观结构，为规则层状结构。结果归因于CNF和MXene之间的界面相互作用增强，源于活性邻苯二酚基团的引入。放大后的扫描电镜图像(图2c)显示，MXene纳米片均匀分布在CNF基质中，并沿着平面路径紧密堆叠，使复合薄膜具有较高的导电性和优良的力学强度。XRD、FTIR和XPS来更好地验证CNF、MXene和TA之间的化学结构和氢键相互作用。图2 g-i表明由多个氢键自组装的纳米结构，得到的CNF-MXene-TA复合膜表现出优异的机械强度和韧性。

图3.CNF-MXene-TA-II复合薄膜执行器的湿度响应性能。 随着水温从20°C增加到45°C，CNF MXene TA-II复合带的最大弯曲角度从79°增加到180°，弯曲速度显著增加当环境相对湿度从20%增加到70%时，CNF MXene TA II复合膜条的弯曲速度显著降低（图3b）。较薄的复合膜（10μm）具有较大的弯曲角，但由于其刚度较低，弯曲稳定性较差；较厚的复合膜（30μm）由于其高刚度而具有较小的弯曲角（图3c）。复合膜的理想厚度为15μm。在高湿度梯度条件下（水温为40°C，环境相对湿度为20%），薄膜在3.5 s内经历180°的弯曲角，几乎恢复到其初始状态去除湿度梯度后的原始状态。整个弯道伸直过程大约需要10秒（图3d）。如图3e所示，这种弯曲-不弯曲过程可重复1000次以上，这意味着驱动变形的外部重复性和良好稳定性。此外，复合薄膜致动器具有超短的驱动时间和弯曲振幅，其性能优于其他文献中报道的湿度响应薄膜致动器。

图4.复合薄膜执行器的焦耳加热性能。 MXene纳米片因其优异的导电性而赋予复合薄膜执行器良好的焦耳加热性能，在智能和可穿戴的热管理方面具有很大的前景。图4a表明CNF-MXene薄膜的平均导电率随着MXene含量的增加而显著增加，这是由于在CNF基质中连续形成了高效的MXene导电途径。如图4b所示，CNFMXene-TA-II复合膜的表面温度随着时间的延长迅速升高，然后达到平衡值；在5V输入电压下，CNF-MXene-TA-II复合膜的表面温度从20°C增加到37.2°C，满足人体的标准要求。由于较高的传递电流产生较大的焦耳加热，稳态饱和温差随着供给电压的增加而显著增加。当供电电压为12.5V时，温差可超过72°C(图4c)。图4d-e明复合膜具有良好的加热耐久性良和长期稳定性。