纳米纤维|用于多功能透气生物电子学的 β 相富激光诱导分层交互 MXene 增强碳纳米纤维( 二 ) 氟化氢|机械

PNFs中β相含量的增加决定了聚合物相和纤维微观结构的取向、排列和结晶，这对最终CNFs的机械性能有重大影响。最近，将纳米填料（例如AgNW、黑磷、石墨烯和MXene）浸渍到PNF和织物中，对于增加β相含量和在纳米纤维之间构建交互式导电网络非常有希望。其中，基于二维Ti3C2TX MXene纳米片的丝绸纺织品、织物和纳米纤维因其令人兴奋的电学、电化学（丰富的表面官能团）和机械性能的组合而备受关注。静电纺丝过程中PNF的单轴伸长以及PDFE和纳米填料之间的富氢(H)键增强了极性结晶β相。随着MXene浸渍到PDFE静电纺丝溶液中，由于强静电引力， MXene的带负电性表面末端（?OH、?O和?F）与PDFE中的正H和F原子之间形成H键。 MXene和PDFE之间的连续H键界面有助于稳定和对齐β相的平面全反(TTTT)构象。因此，将MXene作为异质成核介质均匀引入PNF可以被认为是β相结晶的必要条件。此外， MXene的掺入可以在促进热传递方面发挥重要作用，从而降低碳化温度并沿纤维产生微结构。
有趣的是， PDFE增强的β相在碳化过程中对sp2杂化碳的形成具有重要作用，因为它拥有最大的稳定碳骨架，其中H和F原子以相反方向排列。当施加足够的温度时， PDFE β相的热解开始于C?F键的分解。 β相链的分解可能以两种方式发生。首先，交联链可能会因氟化氢(HF)的脱氟化氢降解而崩溃。其次，通过形成碳-碳双键（?C?C?），该链可以转变为共轭碳结构。需要注意的是， NFs通过化学加工的部分化学脱氟化氢(PCD)有助于β相的形成并刺激碳化过程中的脱氟化氢反应，这无疑增加了石墨化的可能性和具有有序结构的NFs的完整性。
激光打印和激光诱导碳化（LIC）由于制备简单、快速、精度高和可扩展性高，正成为从不同基材制备多功能碳材料和器件的有前途的技术。由激光引起的高温下的快速局部加热可以促进聚合物链的断裂，随后芳香骨架的重排形成石墨sp2碳结构。具体而言，由于直接和快速的碳化过程，电纺纳米纤维可以被激光诱导以制备具有均匀结构的分层CNF 。 LIC方法比传统的高温碳化方法更有优势，因为它允许控制碳化条件、均匀转化以及快速和可扩展的生产。尽管有其优势，但没有研究探索用于多功能可穿戴应用的MXene-PDFE NF（MPNF）的分层CNF的激光诱导图案化和碳化。
在此，我们报告了静电纺丝化学脱氟化氢MPNF（D-MPNF）可以通过一步LIC工艺转化为具有均匀多孔微结构的软分层CNF 。 MXene掺入促进的PDFE增强的β相通过优化的LIC转化为类似于普通石墨碳的sp2-芳香碳。 LIC方法允许快速碳化、均质转化和可扩展的生产。该方法可产生具有高碳通量和出色性能的高效激光诱导分层CNF（LIHCNF）。传统制造方法的替代方案，一种柔软、灵活、透气且可重复使用的生物电势传感电子纹身（e-tattoo）是通过激光打印从LIHCNF中衍生出来的，从而实现了廉价和高通量的生产.此外， LIHCNFs-纹身对汗液蒸发和运输表现出良好的透气性，以防止皮肤不适和刺激，长期穿着。 LIHCNFs纹身对皮肤电子设备的有用性在不同条件下被证明可用于连续、长期、生物电位信号监测，包括心电图(ECG)、肌电图(EMG)和脑电图(EEG) 。此外，这种电子纹身被有效地用作EMG传感器，以构建先进的人机界面(HMI)来运行家用电子设备(HE) 。
2结果与讨论
2.1制造和表征
图1中的示意图显示了LIHCNF的生产过程和电子纹身的后续制造过程。在将MXene添加到静电纺丝溶液之前，进行了实验以确定PDFE的最佳浓度以形成均匀的PNF ，并选择了17 wt%的PDFE（注释S4 ，支持信息）。均质和无珠PNF主要包含三个结晶相：α、β和γ（图1a）。为了获得具有改进的β相的MPNF垫（图1b），将MXene（15 wt%）的均匀混合物添加到电纺溶液中。 MXene官能团（?OH、?O和?F）可以与PNF中的CF2?CH2取向基团相互作用并形成H稳定键（图1b的右侧）。 MXene-PDFE界面之间的这种稳定的分子间相互作用使具有有序CF2-CH2（TTTT结构）取向链的β相原位成核成为可能。在PCD之后， D-MPNF垫用水洗涤并在60°C下干燥以用于LIC（图1c）。值得注意的是， PCD对β相没有不利影响，因为它有助于定向β相，并且CNF的形态高度依赖于它。 D-MPNF垫使用直接CO2激光机以最佳激光功率(LP) (1%)和速度(20%)进行碳化（参见电影S1 ，支持信息）。激光照射产生的高热量产生了均匀的粒状LIHCNF 。图1d显示了基于LIHCNF的透气多功能电子纹身传感系统的制造程序。将双面透气生物医用胶带(BMT) (5 cm × 5 cm)小心地贴在气孔PDMS基材上。气孔PDMS作为BMT的临时支撑。 PDMS中的BMT和气孔大大消除了皮肤发炎的风险，并提高了电子纹身的长期实用性。随后，在BMT顶部图案化了50 μm厚的D-MPNF垫。在最佳条件下，应用直接激光划线和切割命令来图案化所需的蜘蛛网生物电势传感器。在这里，设计的蜘蛛网图案具有高表面覆盖率和结构稳定的结构，用于改善局部应变、拉伸性和总传感器性能。在碳化过程中， D-MPNFs的激光曝光区域通过快速局部加热转化为LIHCNFs ，而未曝光区域保持不变。腹板的宽度约为1.5毫米。未暴露的D-MPNF使用乙醇小心剥离，暴露BMT的粘合部分以帮助更好地粘附到皮肤（参见电影S2 ，支持信息）。然后将粘性、柔性和透气的LIHCNF纹身用于生物电势检测（ECG、EMG和EEG）和HMI开发（图1e）。