智能纖維開發(fā)的三條路徑

文/ 東華大學(xué)纖維材料改性國家重點實驗室 材料科學(xué)與工程學(xué)院 相恒學(xué) 胡澤旭 楊升元 翁巍 陳志鋼 朱美芳

開發(fā)高性能的智能纖維，關(guān)鍵在于深入研究能量轉(zhuǎn)換機制，并以此制備具有定制化成分和結(jié)構(gòu)的智能纖維

當(dāng)前，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，中國的智能纖維研究與世界水平并行，因此智能纖維是中國纖維產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)“從大到強”的一個良好契機，是破除國外對中國先進纖維壟斷的一個強有力手段。了解以儲能纖維、光熱轉(zhuǎn)換纖維和變色纖維為代表的結(jié)構(gòu)功能一體化智能纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計與服役機制，有助于實現(xiàn)對材料結(jié)構(gòu)、多元材料復(fù)合、材料界面的優(yōu)化，實現(xiàn)高效率的能量轉(zhuǎn)換，以獲得性能優(yōu)異的智能纖維與織物。

智能纖維得到廣泛認可和重視

從天然纖維到化學(xué)纖維，纖維材料經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜，由單一功能到多重功能的變化，其應(yīng)用領(lǐng)域也從傳統(tǒng)的保暖服用紡織品擴展到國防軍工、航空航天、汽車制造和醫(yī)療環(huán)保等領(lǐng)域。

纖維材料既是人類文明的一種象征，也已成為關(guān)乎國計民生的基礎(chǔ)性材料，2017年我國化纖產(chǎn)量達4919.55萬噸（占世界化纖總量的73.5%）。我國化纖產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化升級，已在部分高性能纖維和生物基纖維的產(chǎn)業(yè)化、通用纖維的功能化等領(lǐng)域獲得了顯著的進步。近年來，纖維材料領(lǐng)域出現(xiàn)了一些新型纖維，如導(dǎo)電聚合物纖維、碳納米管纖維、石墨烯纖維等。微觀納米尺度的碳納米管或者石墨烯經(jīng)過組裝可構(gòu)建成宏觀的纖維，同時該纖維能夠在一定程度上保持微觀碳管或石墨烯自身優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)或熱學(xué)性能。

這些新型纖維能夠主動感知外界環(huán)境（力、熱、光、聲、電、磁、化學(xué)、濕度和輻射等）的變化，并通過內(nèi)部狀態(tài)變化做出主動適應(yīng)行為，該行為是區(qū)別于傳統(tǒng)纖維的新穎應(yīng)用，從而被定義為智能纖維。目前智能纖維已得到國內(nèi)外廣泛的認可和重視。美國于2016年成立革命性纖維和織物制造創(chuàng)新機構(gòu)，其目標(biāo)在于開發(fā)一類多元、多結(jié)構(gòu)、多功能的智能纖維及織物，要創(chuàng)造可感官、可檢測、可儲存、可反應(yīng)的智能纖維及織物。目前該機構(gòu)已經(jīng)吸引32 家大學(xué)、52 個公司和超過3.25 億美元的投入。歐盟也設(shè)立未來紡織計劃（futureTEX），該計劃主要目標(biāo)在于開發(fā)電子紡織材料、電子醫(yī)療設(shè)備中紡織材料、高性能纖維復(fù)合材料、節(jié)能用紡織材料等。同時，工業(yè)界也反向熱烈，比如美國谷歌公司的Jacquard 智能服裝計劃，美國耐克公司和Under Armour 公司推出了眾多智能運動服裝產(chǎn)品等。

中國纖維產(chǎn)業(yè)從大到強的契機

中國在智能纖維相關(guān)領(lǐng)域同樣有計劃支撐，比如《中國制造 2025》中的智能制造工程、中國紡織工業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃中的重點任務(wù)“智能化紡織”等。在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，中國的智能纖維研究與世界水平并行，因此智能纖維是中國纖維產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)“從大到強”的一個良好契機，是破除國外對中國先進纖維壟斷的一個強有力手段。

根據(jù)功能來看（如圖1所示），智能纖維包含熱量管理纖維、電子信息纖維、環(huán)境變色纖維、形狀記憶纖維等多系列品種。而智能纖維中智能的實現(xiàn)多是基于能量轉(zhuǎn)換，例如儲能纖維涉及化學(xué)能和電能的相互轉(zhuǎn)換、發(fā)電纖維涉及光能和電能的轉(zhuǎn)換、發(fā)熱纖維涉及光能和熱能的轉(zhuǎn)換、變色纖維涉及電能和化學(xué)能的轉(zhuǎn)換等。因此，開發(fā)高性能的智能纖維，關(guān)鍵在于深入研究能量轉(zhuǎn)換機制，并以此制備具有定制化成分和結(jié)構(gòu)的智能纖維，最終獲得能量轉(zhuǎn)換的高效率。因此，本文以儲能纖維、光熱轉(zhuǎn)換纖維和變色纖維為例介紹結(jié)構(gòu)功能一體化智能纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計與服役機制。

針對三類智能纖維的研究

化學(xué)能——電能轉(zhuǎn)換儲能纖維是一類重要的智能纖維。隨著近年來以谷歌眼鏡、蘋果手表為代表的可穿戴設(shè)備以及以電子皮膚為代表的柔性電子設(shè)備的迅猛發(fā)展，與之匹配的柔性儲能器件變得尤為重要。儲能纖維由于在柔性、組裝、可穿戴等方面的優(yōu)勢，成為了柔性儲能器件的研究重點。越來越多的研究表明，纖維的復(fù)合化是顯著提高所得柔性器件能量密度的有效途徑，其重點是獲得定制化成分和結(jié)構(gòu)。從自下而上（bottom-up）的角度，利用納米材料直接組裝成宏觀的功能材料是一種最為常用的手段。例如，本課題組開發(fā)了一種石墨烯溶液的非液晶紡絲方法，通過堿液調(diào)節(jié)溶液中石墨烯片層表面的帶電性，使片層間產(chǎn)生強烈的靜電排斥力，形成無序排列，規(guī)?；B續(xù)制備得到具有高電化學(xué)性能的多孔純石墨烯纖維。進一步利用纖維素納米晶具有一維棒狀剛性結(jié)構(gòu)、表面富含親水性基團的特點，將其作為納米增強單元，通過上述紡絲方法，結(jié)合化學(xué)還原獲得了多組分異質(zhì)組裝的rGO/CNC 雜化纖維（如圖2所示）。

圖1 智能纖維的主要分類

圖2 rGO/CNC 雜化纖維的組裝機理示意圖

圖3 NCY-Pind/CB1-4 的SEM 圖和元素映射分析圖

圖4 （a）可拉伸電熱致變白色纖維的結(jié)構(gòu)示意圖(b)斷面SEM 以及(C)制備流程圖

通過多元材料的設(shè)計，可有效改善石墨烯纖維中石墨烯片層堆積嚴(yán)重的現(xiàn)象，而且還能抑制石墨烯片層在纖維成形過程中可能存在的彎曲和折疊，使其在纖維軸向上排列，從而形成有序的納米孔道結(jié)構(gòu)，提高纖維器件的性能。另一方面，在宏觀纖維材料修飾方面，在已成形的紗線上也可構(gòu)筑不同的微納結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)其功能與智能化。例如，為了克服傳統(tǒng)紗線改性過程中導(dǎo)電活性物質(zhì)在紡織紗線的涂覆不穩(wěn)定性，本課題組通過靜電紡絲，以不銹鋼紗線作為納米纖維的接收器，使聚吲哚/炭黑復(fù)合納米纖維通過靜電吸附自組裝包裹在不銹鋼紗線上，制得了超柔性線型電極。該方法簡單易行，可應(yīng)用推廣制備各種紡織柔性智能紗線（如以PET纖維為基底），且其電化學(xué)性能可通過與碳納米管、石墨烯以及MXene 等復(fù)合而進一步提升（如圖3所示）。

光熱轉(zhuǎn)換纖維是另一類能夠?qū)⑻囟úǘ蔚墓庵苯愚D(zhuǎn)換成熱量的智能纖維，在新型太陽能自發(fā)熱保溫織物、污水處理與海水淡化等領(lǐng)域擁有潛在應(yīng)用價值。光熱轉(zhuǎn)換纖維由普通纖維材料與光熱納米材料復(fù)合得到，其光熱轉(zhuǎn)換性能主要取決于所使用的光熱納米材料。目前，國際上對光熱轉(zhuǎn)換材料的研究集中在光熱納米顆粒和光熱轉(zhuǎn)換薄膜兩種形式中，如陳志鋼將多種光熱轉(zhuǎn)換納米材料（硫化銅、氧化鎢等）與傳統(tǒng)纖維相結(jié)合，制備了多種有機——無機雜化光熱轉(zhuǎn)換纖維和光催化纖維。

化學(xué)能——電能轉(zhuǎn)換變色纖維作為另一類重要的智能纖維，其光學(xué)特性能通過調(diào)節(jié)電壓或電流進行可逆改變，從而呈現(xiàn)不同的顏色，不僅在未來的柔性顯示、可視化檢測民用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，還在軍事隱身、偽裝等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。自從1969年美國科學(xué)家S.K.Deb 首次提出了非晶態(tài)WO3 薄膜的電致變色效應(yīng)以來，人們對電致變色材料及相關(guān)器件開展了深入的研究，但是纖維狀電致變色器件的組裝仍是難點?？的腋翊髮W(xué)G.A. Sotzing 等人使用氨綸織物作為基底，將導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS 浸涂在織物表面制備了一種更加柔軟的反射型導(dǎo)電織物，然后再將電致變色聚合物前驅(qū)體溶液噴涂在織物表面，得到柔軟的電致變色織物。王宏志等則采用雙層結(jié)構(gòu)的包芯紗（DCYs）作為可拉伸彈性基體，通過簡單的浸涂法依次制備了化學(xué)還原石墨烯（RGO）-TiO2 導(dǎo)電層、PDMS 保護層和熱致變色油墨層（圖4）。這種多層結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了纖維在彎曲、扭曲以及拉伸等形變條件下纖維的拉伸以及變色穩(wěn)定性。另外，纖維導(dǎo)電層電阻率達到 0.02Ω·m，通過熱致變色油墨的調(diào)配和選擇，即可實現(xiàn)多彩的拉伸變色，這類纖維可與傳統(tǒng)的針織、或者編織工藝相結(jié)合，為纖維的功能化、智能化以及可穿戴領(lǐng)域的發(fā)展提供一種新的并且十分有效的方案。

概括來說，智能纖維的發(fā)展仍然處于萌芽期，但巨大的市場需求和廣闊的應(yīng)用前景，促使該領(lǐng)域研究迅猛發(fā)展。在智能纖維發(fā)展過程中，需要關(guān)注其存在的共性問題，即以高效率能量的轉(zhuǎn)換機制為核心，通過對材料結(jié)構(gòu)、多元材料復(fù)合、材料界面的優(yōu)化，以及多維度結(jié)構(gòu)構(gòu)筑等手段，以獲得系列性能優(yōu)異的智能纖維與織物。