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具有非对称结构的纳米纤维基柔性仿生智能驱动膜的研究

批准号:
51873166
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
王栋
依托单位:
学科分类:
通用高分子材料
结题年份:
2022
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
沈小林、陈佳慧、卿星、向晨雪、丁新城、孙灯明、贺晓伟

项目摘要

结项摘要

项目成果

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中文摘要
以前期对纳米纤维膜,能对外界水蒸汽刺激产生响应的驱动变形膜材料的研究为基础,系统研究具有非对称结构的、柔性仿生智能纳米纤维基蒸汽驱动变形膜材料。发展孔隙结构、纤维空间排列和表面图案可控的聚合物纳米纤维膜基体制备的新技术,探明刺激蒸汽与纤维膜基体的相互作用过程,建立纤维膜结构与刺激响应性能的关系;设计、合成与不同刺激蒸汽有特异选择性的聚合物,构建具有形态、结构可控的离散体和三维网状聚集体分级结构的响应层,揭示分级结构与刺激蒸汽相互作用和对刺激响应应变矢量的影响规律;构筑具有超快响应、可控形变和刺激选择性的,非对称结构柔性仿生智能驱动膜,深入表征驱动膜在不同刺激蒸汽中的形变性能,探明驱动可逆形变的演变规律,建立膜的形态结构与驱动形变产生的形状特征之间的关系;建立、完善能够准确描述柔性仿生智能驱动膜的蒸汽刺激驱动可逆形变过程的动力学和热力学理论模型,为新型柔性仿生智能驱动材料的研究提供理论基础。
英文摘要
Based on previous studies on nanofiber based membrane and actuator material which can respond to the water vapor by mechanically changing the shape, the flexible, biomimetic and smart nanofiber based actuators with asymmetric structures and responding capability to various vapors are systematically investigated. A new technique of fabricating nanofiber based substrates with controllable porous structures, spatial orientation of nanofibers, as well as surface patterns on nanofiber membrane is developed. The interaction process between vapors and nanofiber membrane is explored. The relationship between membrane structures and responsive behaviors to vapor stimulations is established. The polymers with specific selectivity to different stimulated vapors are designed and synthesized. The responsive layer with hierarchical structures consisting of discrete substances with adjustable morphologies and structures, as well as three dimensional interconnected networks is prepared. The interactions between hierarchical structures and vapors, and effects of structures on responsive strain vectors to vapor stimulations are revealed. The asymmetric structured biomimetic and smart actuator membrane with super-fast and selectively responses, as well as controllable shape changing capability is developed. The deformation performance of actuator membrane to different stimulated vapors is characterized in detail. The evolution mechanism is elucidated. The relationship between the structure of actuator membranes and shape changing behavior is built. The thermodynamic and dynamic theoretical models accurately describing the reversible deformations of flexible, biomimetic and smart actuator membranes with asymmetric structures driven by stimulated vapors are established and improved. The outcome of the research will lay solid foundation for the development of novel flexible, biomimetic and smart actuators in the future.
项目开发的以纤维材料为基础的非对称纳米纤维基柔性仿生智能驱动膜具有响应速度快、形变量大、形变方向设计可控以及循环稳定性好等优势。本项目按照原定计划开展,已经完成了预期目标并形成了相应的研究成果。项目主要成果包括:.(1)通过模板法构筑出了具有表面图案化的柔性聚合物纳米纤维膜基体,研究了纳米纤维的形态、结构,纳米纤维膜的孔隙结构、纤维空间分布和表面图案形貌等对纳米纤维膜基体杨氏模量、力学性能等机械性能和表面性能的影响,建立了结构与性能之间的关系; .(2)设计、合成与甲苯蒸汽、湿气具有特异性和可逆性相互作用的聚苯乙烯微球(PS)、纤维素纳米晶(CNC)、氧化石墨烯(GO)、二氧化硅(SiO2)等刺激响应层材料,研究了响应层与刺激源蒸汽的分子间相互作用关系,建立了刺激响应层材料与刺激选择性响应行为间的关系;.(3)通过将响应层涂覆、沉积或组装到表面图案化的聚合物纳米纤维膜基体上,构建了具有非对称结构的柔性仿生智能驱动膜。系统研究了非对称结构驱动膜的孔隙分布结构、比表面积,图案形貌,各层的化学组成,层间相对取向排列结构,界面相互作用,膜厚、几何形状和尺寸,弯曲模量等对不同刺激蒸汽和蒸汽梯度驱动变形的响应速率、形状、曲率和循环性能;建立了非对称结构驱动膜的结构、几何形貌与驱动形变性能间的关系;.(4)根据实验数据系统分析了刺激蒸汽在驱动膜中的动态扩散过程与膜孔隙结构、膜厚等几何形貌特征、弯曲模量等机械性能,刺激蒸汽梯度分布等因素间的关系;建立了能够对柔性智能驱动膜形变达到稳态时的形状、曲率等形变特征进行理论解释和预测的热力学模型,为柔性智能驱动膜材料的研究和开发提供了参考。.本项目通过四年的研究,形成了以下研究成果:发表SCI论文26篇,EI论文1篇,授权发明专利11项;参加国内学术会议并做口头汇报20次。联合培养博士研究生5名,其中3名已毕业,2名在读;培养硕士研究生15名,其中9名已毕业。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
PVA-co-PE nanofibers synergistically reinforced composite film with high transparency and flexibility
PVA-co-PE纳米纤维协同增强复合薄膜具有高透明性和柔韧性
DOI: 10.1016/j.coco.2020.100371
发表时间: 2020-08
期刊: Composites Communications
影响因子: 8
作者: [Dan Xue, Wen Wang, Longhai Piao, Mufang Li, Dong Wang]
通讯作者: Dong Wang
Humidity-Driven Switch in the Transparency of a Nanofiber Film for a Smart Window
智能窗户纳米纤维薄膜透明度的湿度驱动开关
DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c02772
发表时间: 2021
期刊: Journal of Physical Chemistry Letters
影响因子: 5.7
作者: [Chenxue Xiang, Wang Wen, Shuang Wang, Shuying Liu, Mufang Li, Dong Wang]
通讯作者: Dong Wang
High-Performance Natural Melanin/Poly(vinyl Alcohol-co-ethylene) Nanofibers/PA6 Fiber for Twisted and Coiled Fiber-Based Actuator
用于扭曲和卷曲纤维致动器的高性能天然黑色素/聚(乙烯醇-共聚-乙烯)纳米纤维/PA6纤维
DOI: 10.1007/s42765-020-00036-w
发表时间: 2020-04-01
期刊: ADVANCED FIBER MATERIALS
影响因子: 16.1
作者: [Chen, Jiahui, Pakdel, Esfandiar, Wang, Dong]
通讯作者: Wang, Dong
Ultra-sensitive piezo-resistive sensors constructed with reduced graphene oxide/Polyolefin elastomer (RGO/POE) nanofiber aerogels
采用还原氧化石墨烯/聚烯烃弹性体 (RGO/POE) 纳米纤维气凝胶构建的超灵敏压阻传感器
DOI: 10.3390/polym11111883
发表时间: 2019
期刊: Polymers
影响因子: 5
作者: [Zhong Weibing, Jiang Haiqing, Yang Liyan, Yadav Ashish, Ding Xincheng, Chen Yuanli, Li Mufang, Sun Gang, Wang Dong]
通讯作者: Wang Dong
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    多重功能纤维基柔性电子皮肤的结构、性能与工作机制研究
    • 批准号:
      U20A20257
    • 项目类别:
      联合基金项目
    • 资助金额:
      261.0万元
    • 批准年份:
      2020
    • 负责人:
      王栋
    • 依托单位:
    纳米纤维基柔性电子皮肤的构筑和结构与性能的研究
    • 批准号:
      51473129
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      78.0万元
    • 批准年份:
      2014
    • 负责人:
      王栋
    • 依托单位:
    微生物燃料电池用高导电性和生物相容性的三维多孔纳米纤维膜阳极的研究
    • 批准号:
      51273152
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      80.0万元
    • 批准年份:
      2012
    • 负责人:
      王栋
    • 依托单位:
    具有快速检测与杀灭生物有害物质协同功能的纳米纤维膜传感器
    • 批准号:
      51003083
    • 项目类别:
      青年科学基金项目
    • 资助金额:
      20.0万元
    • 批准年份:
      2010
    • 负责人:
      王栋
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金