纺织品是人们日常生活的基本必需品之一，不仅用来保暖和装饰，还可以用作智能可穿戴电子产品。智能纤维具有柔性、轻便、舒适，可集成到纺织品中作为传感器，检测呼吸、睡眠、运动、医疗康复等。但是对于可穿戴设备来说，其持续运行需要解决频繁充电和更换电池的问题。研究表明，纺织品和摩擦纳米发电机（TENGs）结合，具有能量收集和自供电传感的功能，为可穿戴设备提供了一种有效的供电策略。

虽然，TENGs的材料选择非常广泛。但是，目前实验中使用的材料大多为金属或高分子材料。这些材料不仅价格昂贵，而且不易降解，造成严重的环境污染。因此，有必要寻找可回收且廉价的绿色材料作为替代物。

鉴于此，中国科学院北京纳米能源研究所王中林院士和董凯副研究员从废虾壳中提取甲壳素，然后脱乙酰得到壳聚糖。将壳聚糖进一步制备成纳米纤维，通过静电纺丝包芯纱技术将壳聚糖纳米纤维紧紧包裹在镀银锦纶纱上。从而，制备壳聚糖基自供电传感纤维。通过交换不同的中心导电纱，可以调节壳聚糖基自供电传感纤维的强度和柔软度。此外，基于壳聚糖的自供电传感纤维可用于控制智能家电(如台灯、风扇、显示器、加湿器等)，在智能家居传感方面具有很大的应用潜力。相关研究成果以“Continuous Preparation of Chitosan-Based Self-Powered Sensing  Fibers Recycled from Wasted Materials for Smart Home Applications”为题目发表在期刊《Advanced Fiber Materials》上。

图1从废弃物中回收壳聚糖的工艺及性能表征。从虾壳中回收的壳聚糖用于智能家居的传感。b从虾壳中回收壳聚糖流程图。c不同阶段的SEM图。(i)未经处理的虾壳。(ii)去除钙物质后的虾壳。(iii)几丁质。(iv)壳聚糖。d壳聚糖和甲壳素的XRD谱图。插图显示的是未经处理的虾壳的XRD图像。e壳聚糖和甲壳素的红外光谱。f壳聚糖和甲壳素的TG曲线。

从虾壳中提取壳聚糖的过程

本文以废弃虾壳为原料提取壳聚糖，采用电纺包芯纱技术制备壳聚糖基自供电传感纤维，实现对家用电器的传感控制应用。图1b显示了从虾壳中提取壳聚糖的流程图。

1、首先，用去离子水对虾壳进行超声波清洗，去除虾壳表面的污渍。

2、然后，将清洗干净的虾壳放入稀盐酸溶液中进行脱钙，去除虾壳中的碳酸钙等杂质。

3、去除钙杂质后，将虾壳放入稀碱性溶液中加热搅拌以去除蛋白质等杂质。

4、然后剥去钙杂质和蛋白质的虾壳在丙酮中加热，以去除剩余的有机杂质。

5、最后，将处理过的虾壳过滤，漂洗至中性，放入烤箱中干燥，得到甲壳素。

6、将提取出来的甲壳素放入45% wt%的氢氧化钠溶液中加热搅拌，进行脱乙酰化的化学反应，得到壳聚糖。

图2壳聚糖基自供电传感纤维的制备工艺。a壳聚糖基自供电传感纤维的制备工艺。(i)静电纺丝装置示意图。(ii)壳聚糖静电纺丝溶液的制备。b壳聚糖自供电传感纤维筒管示意图。c壳聚糖自供电传感纤维筒管实物图。d壳聚糖自供电传感纤维结构示意图。(i)壳聚糖基自供电传感纤维结构示意图。(ii)壳聚糖自供电传感纤维的SEM图。(iii)壳聚糖自供电传感纤维截面SEM。e壳聚糖基自供电传感纤维的重量图片。f含200g壳聚糖自供电传感纤维实物图壳聚糖自供电传感纤维穿线针实物图。(h)壳聚糖基自供电传感纤维打结前后的物理图片。

壳聚糖基自供电传感纤维的制备

本研究采用连续、自动化的静电纺丝设备制备壳聚糖基自供电传感纤维。壳聚糖纳米材料以一定的角度均匀缠绕在导电纱上，形成螺旋状纤维束，呈紧密包裹的核壳结构。绿色是壳聚糖纳米材料，灰色是镀银尼龙纱。

壳聚糖的纺丝溶剂为三氟乙酸:二氯甲烷(TFA: DCM))的混合物，称取一定量的壳聚糖，放入混合良好的溶剂中配制成2 wt%的壳聚糖溶液。将壳聚糖纺丝液注入注射器，放入静电纺丝装置的推进泵中，制备壳聚糖基自供电传感纤维。

静电纺丝装置由漏斗收集器和两个对称静电纺丝系统组成。在纺纱过程中，导电纤维首先通过漏斗，然后由放置在漏斗对面的绕线装置缠绕。设备开始旋转壳聚糖纺丝液，壳聚糖纳米纤维沉积在纺丝漏斗上，形成覆盖漏斗末端的纳米纤维网络。在导电芯线连续缠绕过程中，纳米纤维网被拉、扭成纳米纤维束，并完全覆盖在导电芯线上。

壳聚糖基自供电传感纤维具有超轻、高强度等特点。其长度为20厘米，重量仅为0.023 g。它还可以承受200克的重量而不断裂。此外，由于连续静电纺丝技术，获得的壳聚糖纳米纤维壳材料牢固地附着在导电纱周围，有利于生产非常柔软、稳定的壳聚糖基自供电传感纤维。即使打结，再解开后，仍然具有完整、包裹紧密的结构。

图3不同浓度的壳聚糖基自供电传感纤维在TFA: DCM为7:3的溶剂中的性能。壳聚糖浓度为a 1.5 wt%、b 2wt%和c 2.5wt%时壳聚糖基自供电传感纤维的表面形貌。d壳聚糖基自供电传感纤维在不同浓度壳聚糖下的应力-应变曲线。e壳聚糖自供电传感纤维工作原理示意图。f不同浓度壳聚糖基自供电传感纤维的VOC含量。g在壳聚糖浓度为2.5%时，不同频率下壳聚糖自供电传感纤维的VOC含量。h壳聚糖基自供电传感光纤在不同外负载电阻下电流和功率密度的变化。i壳聚糖基自供电传感纤维的稳定性试验。

当壳聚糖浓度为2.5 wt%时，壳聚糖纳米纤维的粗细均匀，无粘结现象，壳聚糖基自供电纤维的粗细相对均匀。当壳聚糖浓度为1.5 wt%、2 wt%、2.5 wt%，壳聚糖基自供电传感纤维断裂拉伸强度为74.3 MPa，分别为67 MPa和79.2 MPa；断裂伸长率分别为116%、121%和127%。此外，壳聚糖基自供电传感纤维的强度和柔韧性可以通过改变不同的导电纱线来调整，使其适合不同的应用场景。

图4壳聚糖自供电传感纤维在智能家居控制中的应用智能家电控制系统原理图。b智能家电控制系统电路原理图。c(i)壳聚糖自供电传感纤维产生的电压信号。(ii)电压比较器产生的信号。(iii)单片机传送给继电器的信号。d控制不同的智能家电。

壳聚糖基自供电传感纤维能够实时感知快速接触分离过程，应用于智能家居的控制传感，包括台灯、监视器、风扇和加湿器等。因此，基于壳聚糖的自供电传感纤维在智能家居领域具有很大的应用前景。

小结

本研究首先通过化学处理从虾壳等废弃物中提取甲壳素，然后将甲壳素脱乙酰得到壳聚糖。在化学处理过程中，虾壳的宏观形态和微观形态发生了更明显的变化。通过XRD、FT-IR和TG对脱乙酰反应前后的虾壳进行表征，发现脱乙酰处理后甲壳素转化为壳聚糖。采用静电纺丝技术制备了壳聚糖基自供电传感纤维，纤维具有良好的柔韧性。壳聚糖基自供电传感纤维的力学性能与纤维中心导电纱的力学性能相似，可以通过调整或更换导电纱来控制纤维，以满足不同场景下的性能要求。此外，基于壳聚糖的自供电传感纤维可以集成到服装中作为自供电传感器，本实验将该装置作为智能开关传感器控制家用电器的启动和关闭，在自供电传感领域具有广泛的应用前景。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-022-00194-z