智能纖維,通常指可感知環(huán)境變化或刺激(如光、電、溫度、濕度、pH、機(jī)械等)并能夠做出反應(yīng)的纖維,是智能可穿戴織物中重要的基本組成單元。智能纖維可通過(guò)智能織物形式,整合到臂帶、袖套、服裝、頭盔、腰帶等部位之中,并作為可穿戴傳感器、制動(dòng)器、能源器件、調(diào)溫織物及加熱器等功能器件的核心單元應(yīng)用于柔性可穿戴智能系統(tǒng)中。然而,目前大多數(shù)織物纖維以天然高分子或合成高分子為主。這些高分子具有本征的熱絕緣及電絕緣性能,使其難以與微型化電路進(jìn)行有機(jī)整合,因而不僅限制織物纖維在傳統(tǒng)電子器件中的應(yīng)用,還束縛著新型可穿戴電子器件及智能機(jī)器人的發(fā)展。此外,如何實(shí)現(xiàn)智能纖維在面對(duì)復(fù)雜環(huán)境及人機(jī)交互中多重刺激響應(yīng)的功能集成,依舊是一個(gè)重大挑戰(zhàn),也是未來(lái)新型多功能智能可穿戴系統(tǒng)發(fā)展的重要機(jī)遇。
基于智能纖維多重刺激響應(yīng)的功能集成這一需求,中科院氣凝膠團(tuán)隊(duì)將石墨烯氣凝膠纖維、相變材料及超疏水涂層巧妙復(fù)合,得到一種柔性、自清潔的石墨烯氣凝膠智能相變纖維,實(shí)現(xiàn)了復(fù)合纖維的能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)、自清潔、智能調(diào)溫、加熱等多重刺激響應(yīng)功能于一身。具體制備工藝如下:首先通過(guò)濕法紡絲工藝,將氧化石墨烯液晶紡入特定凝固浴中,經(jīng)化學(xué)還原-超臨界干燥等技術(shù)手段制備得到具有規(guī)整、連續(xù)、多孔的石墨烯氣凝膠纖維;然后通過(guò)浸漬填充,將有機(jī)相變材料(如石蠟、聚乙二醇、高級(jí)脂肪酸等)引入到氣凝膠纖維的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,獲得石墨烯氣凝膠相變復(fù)合纖維;最后在復(fù)合纖維上包裹氟碳疏水涂層,獲得具有自清潔功能、多重刺激響應(yīng)行為的柔性石墨烯氣凝膠智能纖維。
圖1 、石墨烯氣凝膠智能纖維的多重刺激響應(yīng)示意圖(a)、其編織圖案的光學(xué)照片(b, c,)與光-熱響應(yīng)時(shí)的紅外照片(b1, c1)、及其智能織物(d內(nèi)插圖)在光/電刺激響應(yīng)下的熱能轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)/釋放的歷程(d)。
研究表明,這種新型的智能纖維具有可調(diào)的相變焓值(0-186 J/g)、優(yōu)異的力學(xué)/電學(xué)性能、自清潔及多重刺激響應(yīng)(光、電、溫度)的熱能轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)/釋放功能,且纖維可被加捻、編織。針對(duì)單根纖維、纖維束及織物等形式,分析并探究了復(fù)雜環(huán)境下的刺激響應(yīng)行為:當(dāng)纖維彎曲或打結(jié)時(shí),纖維的電熱響應(yīng)行為不受影響,當(dāng)纖維集結(jié)成束時(shí),纖維之間發(fā)生熱交換,能夠減少纖維向環(huán)境的熱流失,從而表現(xiàn)出更為快速的電熱響應(yīng)及更高的響應(yīng)溫度;纖維織物在室溫及低溫環(huán)境下均具有光-熱響應(yīng)行為,且隨著纖維織物的密集程度的增加,光熱響應(yīng)具有更快、更高的溫度響應(yīng)。進(jìn)一步地,通過(guò)熱電偶及數(shù)據(jù)記錄儀,詳細(xì)分析了單根纖維、纖維織物的電熱、光熱響應(yīng)歷程,并詳細(xì)研究了纖維種類(不同相變材料的纖維混編織物)、纖維織物的密集程度、外部環(huán)境(溫度、濕度及應(yīng)力)對(duì)熱能捕獲及釋放的影響,實(shí)現(xiàn)智能織物的多溫度區(qū)間的熱能存儲(chǔ)、釋放及調(diào)溫功能(如圖1所示)。
通過(guò)石墨烯氣凝膠纖維、相變材料及氟碳樹(shù)脂巧妙復(fù)合得到的石墨烯氣凝膠智能纖維實(shí)現(xiàn)了多重刺激響應(yīng)下的多功能集成,且可再現(xiàn)于纖維加捻而成的紗線及編織成的織物之中,在新一代智能可穿戴織物及便攜式電子器件領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果以“Multiresponsive Graphene-Aerogel–Directed Phase-Change Smart Fibers”為題,已在線發(fā)表在國(guó)際著名雜志Advanced Materials(2018, 30, DOI: 10.1002/adma.201801754)上。
博士生李廣勇(北京理工大學(xué)與中科院蘇州納米所聯(lián)合培養(yǎng))為論文第一作者,張學(xué)同研究員為論文通訊作者,合作者包括澳門大學(xué)洪果教授,英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院宋文輝教授。該論文工作是在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFA0203301)、國(guó)家自然科學(xué)基金(51572285)、英國(guó)牛頓高級(jí)學(xué)者基金(NA170184)和江蘇省自然科學(xué)基金(BK20170428)的共同資助下完成的。
論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201801754
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