基于聚氨酯/聚吡咯/MXene的电活性纳米纤维驱动器：制备、表征与性能评估

《Sensors and Actuators A: Physical》：Electroactive nanofibrous actuators based on polyurethane/polypyrrole/MXene: Fabrication, characterization, and performance evaluation

本文报道了通过静电纺丝与化学/电化学聚合相结合技术，成功制备聚氨酯(PU)/聚吡咯(PPy)/MXene复合纳米纤维驱动器。研究系统探讨了聚合时间、电解质浓度(LiTFSI)对驱动器电化学性能的影响，发现MXene的引入显著降低表面电阻，在0.5?M电解质浓度下实现231°最大弯曲角，证实其作为法拉第电机的工作原理。

　　

Highlight

本研究的创新点在于首次将MXene纳米片与聚吡咯(PPy)协同沉积于聚氨酯(PU)纳米纤维基底，构建具有快速离子传输通道的三维多孔结构。该设计通过MXene的高导电性解决电位降问题，利用电化学沉积时间调控实现精确的驱动性能优化。

材料

实验采用热塑性聚氨酯(Elasthane 55D)制备纳米纤维，吡咯单体(Merck)、三氯化铁(FeCl₃·6H₂O)和双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)作为聚合反应原料。通过盐酸(HCl)/氟化锂(LiF)蚀刻Ti₃AlC₂ MAX相获得Ti₃C₂T_x MXene纳米片，并采用PVDF滤膜纯化分散液。

Ti₃C₂T_x MXene的结构与化学表征

如图2a所示，MAX颗粒呈现典型的致密岩石状形态，而蚀刻后的MXene（图2b）显示出明显的层状剥离结构。XRD图谱（图2c）中MAX相(002)峰从9.5°移至6.2°，证实成功生成少层MXene。FTIR光谱（图2d）在3450?cm^-1处出现-OH伸缩振动峰，验证表面官能团的存在。

结论

研究通过FESEM、EDX和XRD证实PPy/MXene在PU纳米纤维表面的均匀包覆。电化学测试表明，延长电化学聚合时间（5000?s）可提升比电容至20.13?F/g，驱动性能最佳。在0.5?M LiTFSI电解质中，驱动器呈现231°弯曲角，且循环稳定性优异。该工作为软体机器人和生物医学设备提供了新型纤维基驱动平台。