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上海科技大学凌盛杰等:这个织物很智能!环境响应+数控变色

已有 705 次阅读 2021-7-20 00:59 |系统分类:论文交流

Thermochromic Silks for Temperature Management and Dynamic Textile Displays

Yang Wang, Jing Ren, Chao Ye, Ying Pei, Shengjie Ling*

Nano-Micro Letters (2021)13: 72 

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00591-w

本文亮点
1通过低成本、高效、可持续和可扩展的策略将热致变色功能引入到天然蚕丝纤维中,生产出高性能热致变色蚕丝纤维

2. 通过溶剂预处理有效增强了蚕丝与涂料之间的界面结合作用,但不破坏蚕丝纤维本身的结构和性能;利用同步辐射红外显微光谱技术进行验证。

3. 通过纺织技术和5G云通信平台构建了动态显示智能织物,在温度管理和实时动态显示织物方面展示出应用前景。

内容简介
与聚合物合成纤维相比,天然动物丝纤维具有优异的力学性能以及良好的光泽、透气性和透湿性。然而,功能蚕丝纤维和织物的连续化生产中仍然有很多问题亟需解决。这项研究将成熟的纱线纺纱技术和简单的浸涂技术相结合,通过建立理论模型优化相关生产参数,达到不同性质涂料在蚕丝纤维表面的涂覆均匀性的提升,最终获得一系列高性能热致变色蚕丝纱线的连续生产(>10千米),并为这类纤维在功能化织物的实际应用中提供了范例展示。上海科技大学凌盛杰课题组基于天然蚕丝开发出可规模化生产的热致变色纱线(TCSs)。通过原位观测、理论计算和参数优化,实现了不同性质的一系列功能涂料在蚕丝纤维表面的均匀涂覆。在连续化纺丝过程中,利用溶剂对蚕丝表面进行可控部分溶解,以增强热致变色涂料与蚕丝纤维的界面结合作用,提升复合纤维的界面稳固性,并保持了原始丝纤维的主体结构和本身优异的力学性能。最后展示了一系列实际应用场景。为功能化蚕丝纤维的生产制备和应用,提供了具有普适性的参考方案。
图文导读
I 热致变色涂料颜色的可编程化及其动态浸润机制
以红、黄和蓝三种颜色涂料为基础,通过简单混合调制的颜色可以覆盖CIE 1931 XY色度图上36%的色域,并通过动态监测温度变化过程中颜色的变化,可以对最终系统的热变色行为进行编程。

当蚕丝纤维快速通过不同种类涂料过程中,纤维表面易发生瑞利不稳定性,导致涂覆不均匀影响实际使用。本文建立了相关的理论模型来推导防止不稳定涂覆发生的临界条件。我们制备了一系列具有不同物理性质的液体涂料,记录了所有膜层的形态演变过程,并建立理论模型准确预测了产生均匀涂层所需的纺丝条件:当e₀/b小于临界值时,实验所获得的纤维表面涂层是均匀稳定的;当e₀/b大于临界值时,涂层从均匀薄膜转变为间隔液滴。

图1. (a) 三种基本颜色(红、黄、蓝)涂料通过简单混合后,调制成各种颜色的CIE 1931XY色度图,图中插图为各种颜色涂料的图像。(b, c) 不同颜色涂料在加热过程中颜色动态演变过程的二维色度图。(d) 以一定速度从涂料槽中抽出纤维的示意图和照片(阶段ⅰ:均匀厚度液膜的形成,阶段ⅱ:高原-瑞利不稳定性引起的纤维液膜形态演变)。(e) 对于不同质量分数的聚氯乙烯涂料,纤维相对膜厚度(e₀/b)随毛细管数(Ca)的变化。

II 复合纤维界面稳定性的提升

通过理论模型优化相关生产参数后,在蚕丝纤维表面实现了涂层的均匀涂覆。基于课题组之前的研究,本文还利用六氟异丙醇部分溶解蚕丝纤维表面,以实现增强热致变色涂料与蚕丝纤维的界面结合作用,提升复合纤维的界面稳定性,丙能够保持原始丝纤维的主体结构和本身优异的力学性能。复合纤维的界面稳定性通过同步辐射红外显微光谱技术以及一系列洗涤试验进行了验证。

图2. (a) TCSs连续纺丝装置示意图。(b) TCSs多层级结构示意图。(c) 红色、绿色、蓝色、黄色TCSs的实物图像。(d) 通过对1656 cm⁻1处蚕丝蛋白的特征峰(酰胺I)和1729 cm⁻1处油墨的峰(C=O拉伸)进行积分,获得的TCSs切片的峰高比值伪色图。(e) 沿图d中白色箭头所示方向提取的红外单像素光谱图。

III TCSs的机械性能、耐洗性和可编程热变色性能

由于复合纤维界面稳定性的提升以及蚕丝的主体结构未被破坏,所获得的TCSs的强度、韧性及刚度与天然蚕丝相当,分别为443.1±44.2 MPa、56.0±8.5 MJ·m⁻3和11.9±1.2 GPa,可直接使用自动刺绣机将TCSs纱线编织在各类织物上。织物可以通过商用洗衣机清洗程序进行洗涤,并且洗涤后纤维表面功能涂层未发生明显变化,洗涤过后的织物仍保持灵敏的热致变色响应速率。另外,由于黄色TCSs的热变色温度为28℃,可以灵敏得感应手指的靠近。这项工作中制备了一系列不同颜色和不同变色温度的热响应织物,以适应于多种应用场景。

图3. (a) 利用自动刺绣机将TCSs纱线编织成特定图案。(b) 经洗涤后织物表面TCSs纱线的SEM图像。(c) 洗涤前后热致变色织物的图像。(d, e) 基于不同颜色和不同变色温度TCSs编织的热响应织物。(f) CIE 1931XY色度图中红色、绿色、蓝色TCSs颜色随温度变化的通道。(g) 红色、绿色、蓝色TCSs总色差ΔE*随温度循环变化(冷热循环水控制)的曲线图。(h, i) 单次循环过程中温度上升(h)和下降(I)时ΔE*变化的拟合曲线图。

IV TCSs织物的温度管理

在夏季户外运动或工作中,当环境温度高到触发TCSs织物发生颜色变化呈现浅色时,织物所接收热辐射程度相对较低,穿着相对更加凉爽。当环境温度较低时,穿深色衣服会更暖和,因为深色吸收更多的热量。通过控制热变色行为中的深色和浅色变化,热变色织物可以潜在地应用于具有温度管理功能的智慧服饰。

图4. (a) 环境温度从冷到热转换过程中热致变色织物颜色发生变化的示意图。(b) 蓝色TCSs加热前后的紫外-可见光-近红外反射光谱图。(c) 将编织有“丝”字的PET和TCSs织物放入模拟的冷(C)和热(H)环境后,辐射两分钟前后PET和TCSs图案表面的温度变化。(d, e) 在模拟冷环境(d)和热环境(e)下,辐射两分钟前后PET和TCSs图案的热成像图像。

V 基于TCSs的动态显示智能织物的制备与展示

更进一步地,TCSs还可以通过电来控制变色,原理基于导电纤维在导电过程中的热阻效应。通过借鉴纺织工艺中的包覆纱生产技术,连续制备出包缠结构的TCSs/碳纤维复合纱线,实现通过调节芯层碳纤维的电流强度来调控壳层TCSs显示的颜色。利用这种复合纱线,可与外电路连接构建数字显示织物,或在智慧服装上实现多功能实时动态显示。

图5. (a) 制备TCSs/碳纤维纱线的共包缠纺丝设备示意图。(b, c) TCSs/碳纤维纱线表面和横截面的SEM图像。(d) 通过施加0.13/0 A的电流,TCSs/碳纤维纱线显示出智能变色效果。(e) 温度随TCSs/碳纤维纱线上施加电流变化的曲线图,红点指热致变色临界温度。(f) 通过循环施加0.13/0 A的电流,色差ΔE*随时间的变化曲线图。(g) 用TCSs/碳纤维纱线构建的动态数字显示织物的示意图。(h) 多模块动态显示驱动装置的原理示意图。(i, j) 在变形和降雨等环境条件下的织物实时显示展示图。(k) 可切换时间和温度的多模块动态显示织物展示图。

作者简介

凌盛杰

本文通讯作者

上海科技大学 助理教授

个人简介

主要从事天然高分子的基础性研究工作。包括同步辐射红外及X射线技术对重组蛋白和天然材料的表征;分子动力学模拟对天然材料设计策略的解析;生物仿生材料,生物纳米材料和生物功能材料的开发与应用。独立开展研究以来,在动物丝纳米组装体的提取、制备和应用、动物丝/丝蛋白“构-效关系”、丝蛋白器件等方面取得了一系列研究成果。在Nat. Rev. Mater., Chem. Rev., Adv. Mater., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Matter, Adv. Sci., Macromolecules等高影响力杂志发表多篇论文。

Email: lingshj@shanghaitech.edu.cn

王洋

本文第一作者

上海科技大学 硕士研究生

主要研究领域

生物功能材料、多功能智慧织物的开发设计与应用。

撰稿:原文作者
编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、PubMed Central、DOAJ、CSCD、知网、万方、维普、超星等数据库收录。2020 JCR影响因子IF=16.419,在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore=15.9,材料学科领域排名第4 (4/123)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。

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