纺织纤维材料的功能化与智能化OA

纺织纤维材料的功能化与智能化是推动传统纺织产业升级的核心方向,引领传统纺织从单一服用属性向多功能集成、智能交互领域跨越式发展。功能化纤维通过共混改性、复合纺丝、纳米整理等技术,赋予材料高韧高强、抗菌调温、防护透气和导电传感等特定功能,已广泛应用于柔性穿戴、医疗健康和航空航天等领域[1-3]。智能纤维作为功能化纤维的高级形态,可实现环境感知、信号传输与交互响应,目前已在健康监测、人机交互和个人热管理等领域展现出巨大应用潜力[4-6],部分技术已实现产业化落地。当前研发正朝着功能定制化、绿色可持续与系统集成方向推进,领域突破将为智慧生活、健康医疗与智能制造提供关键材料支撑。针对生物质纤维与功能材料有序组装及复杂结构精准调控难等问题,本团队从工艺简单、绿色环保角度出发,立足于生长因子调控及层层组装成型规律,在生物质细菌纤维素(BC)培养基中有序添加功能材料(从零维到多维)经原位自组装策略,构建自缠结纤维增强结构,发展了BC纤维与功能材料有序组装新方法;结合BC基材独特的理化特性,将功能纳米材料有序组装到BC基材上,实现了BC基功能材料的可控制备,揭示了BC纤维与功能基元复合增韧增强机制,为BC复合纤维结构精准设计提供了新思路[7-16]。液晶弹性体(LCE)纤维因其大的可逆变形和可编织性,已被广泛应用于人工肌肉、软机器人和智能可穿戴等领域[17-19]。然而其在结构设计和应用方面仍存在一些亟待解决的关键问题:1)由于LCE与功能材料的界面兼容性较差,导致LCE纤维致动器的驱动模式相对单一,综合性能(稳定性和驱动性能)有待提高;2)由于LCE分子轻交联网络结构易发生链段移动和分子间相对滑移,导致其蠕变现象明显、机械性能较差。本团队提出了表界面/化学交联策略,通过有限元分析与实验验证,明晰了无机功能纳米材料与LCE分子间杂化增效与稳定机制;解决了LCE智能纤维驱动模式单一和界面复合稳定性差的关键问题,所设计的智能纱线断裂强度可达52.3 MPa,响应速度最快达0.4 s,变形率最高可达60%。通过仿生螺旋增韧结构设计,构筑了高机械强度和柔韧性良好的BC/LCE复合智能纱线;揭示复合智能纱线相互作用规律及协同增效机制;解决了LCE智能纱线易蠕变的问题,为新型纱线及智能织物的可控构筑提供新途径[20-25]。开发炎热环境中的绿色低碳降温技术对缓解能源消耗和穿戴舒适性具有重要意义。当前新兴的研究已开发了各种辐射冷却材料来实现有效降温。但在可穿戴热湿舒适性方面的研究仍存在以下亟待解决的关键问题:1)辐射制冷超材料织物在透气/透湿和穿戴性方面仍存在限制;2)电子器件和辐射制冷材料的简单贴附导致在使用中材料的界面稳定性差;3)已报道的可穿戴电子器件难以摆脱对刚性电源的依赖,影响人体穿戴舒适性和使用可持续性。针对上述问题,本团队开发了一种具有单向导湿的非织造布超织物,结合了辐射冷却和蒸发散热,实现了低于环境温度约6.5℃的降温性能和快速的吸湿排汗效果(水分蒸发率为0.31 g·h^(-1),水分传输指数为1 220%)。提出了合金化反应策略,构筑一体化纤维电极;阐明了电子织物的界面稳定性和能源可持续供给问题,所得织物可持续为电子手表等设备供电且能监测人体运动,与棉织物相比约有9.5℃的降温效果,为促进下一代可穿戴热舒适自供能电子纺织品的集成应用提供了新思路[26-29]。未来,本团队将继续致力于纺织纤维的功能化与智能化方面的研究,围绕生物质纤维自组装有序成型、高性能仿生智能驱动纱线设计以及自适应热湿管理织物集成应用等方面开展系统研究,并通过纺织、材料、化学等多学科交叉融合,持续推动高端功能与智能纤维的基础研究与应用拓展。