江南大学肖学良教授团队 Small：具有仿生应用前景的编程性多刺激响应变形变色智能织物

2023-02-23 来源：高分子科技

刺激响应材料（SRM）是一种新型智能材料，可响应多种外部环境刺激而改变自身特征。目前大多数SRM是单响应材料，即响应单一刺激后改变自身形状或颜色。然而随着技术的发展，多刺激多响应特性成为智能材料的新需求，是SRM迈向高智能性应用领域的重要研究方向。

近期，江南大学肖学良教授团队报道了一种可响应电热刺激而呈现形状和颜色同步变化的智能织物（图1ab）。该织物的纬纱由热致形状记忆聚对苯二甲酸乙二醇酯（SMPET）和热致变色微胶囊（TMC）复合而成，经纱由传统PET纤维和金属发热纤维（SSF）混纺（PET/SSF）而成。由于SMPET、TMC以及SSF特性（图1c），该织物可被红外、电热等“高温”触发而产生形状及颜色同步变化的双响应行为（图1d）。实验表明，该织物在60℃时，变色和形状回复效果明显。在电刺激时，该织物在5V电压下20 s即内可达到良好的变色变形响应效果，且循环60次测试后也表现出优异的响应耐久性。最后实验发现，通过对织物结构末端进行选择性的施加电压，可实现精准、编程化的控制。因此，该织物显示出优异的多刺激双响应局部控制特性，在仿生领域显示出巨大的应用潜力。

图1. a）织物制备过程，b）织物实物图，c）TMC的变色原理和PET的形状记忆原理，d）织物分别在热和电刺激下产生的形状记忆和可逆变色双响应

具体而言，在织物织造前，为得到变色变形等响应性能良好的智能复合纤维，该工作研究了具有不同TMC比例含量的复合纤维各项性能指标（包括力学性能、形状记忆性能以及变色性能），以确定最佳的SMPET/TMC的比例配方。基于该比例配方，研究了织物在热刺激下的响应行为，结果表明，织物结构在加热时展现出优异的形状和颜色双响应效应（图2），且形状记忆性能，包括形状固定率及形状回复率，与单根纬向复合纤维相差无几，说明织物整体的柔软性和力学性能不会影响纬向复合纤维承担的变形任务，织物结构中经向的PET/SSF纱线不能抵抗其变形或形状回复。

图2. 织物热致形状记忆及变色双响应效应

此外，该织物受到电刺激时，织物可以均匀而快速地加热，呈现瞬间响应低电压（5V）的能力（图3）。由此可见，在织物网络中引入导电丝和PET/SSF纱线是设计高效电热响应体系的理想策略。基于该思路，可通过对织物的结构性末端进行局部选择性的施加电压，以实现精准、可编程化的控制（图4），在仿生飞行器的应用中具有一定的前景。

图3. 织物电热致形状记忆及变色双响应效应

图4. 智能织物仿生飞行器变形变色同步双响应效应

以上研究成果以“Multi-Stimuli Dually-Responsive Intelligent Woven Structures with Local Programmability for Biomimetic Applications” 为题发表在国际著名期刊SMALL（中科院1区，影响因子为15.153）上。论文第一作者是江南大学纺织科学与工程学院2021级硕士生许润欣，江南大学肖学良教授、Mahyar Panahi-Sarmad和加拿大滑铁卢大学Milad Kamkar助理教授为论文共同通讯作者。江南大学纺织科学与工程学院为论文第一单位。本研究得到了国家自然科学基金（51703083），国家先进功能纤维创新中心“盛虹?应急保障与公共安全用纤维材料及制品科研攻关项目”（2022-rw0307），江苏省“青蓝工程”优秀骨干教师培养对象（1066010241222200）等项目资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202207900

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（责任编辑：xu）

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