武汉纺大夏治刚课题组 Nano Energy：在“液流体智能防护功能纺织品”方面取得进展

2023-10-05 来源：高分子科技

近年来，具有抗冲击和智能监测功能的智能可穿戴设备越来越受到人们的关注。剪切增稠材料因其吸能防护的优势，非常适用于抗冲击材料的制备。但是，目前通过浸渍、涂覆等方式制备的剪切增稠流体（STF）基复合防护纺织品，存在穿戴舒适性差、液体易泄漏、耐磨耐用性差等问题，因此将STF加工成兼备透气、亲肤、耐用的智能型抗冲击防护功能纺织品，难度大、挑战度高。为解决该加工技术难题，武汉纺织大学徐卫林院士团队的纤维及其集合体先进加工技术课题组，携手中科院纳米能源所、华中科技大学，采用多种材料分层包裹复合的液流纺纱加工技术（图1），批量化开发了一种基于液态剪切增稠材料的复合纱线（STFY）及其织物面料，有效用于抗冲击防护管理、人体运动监测和能量收集。成果发表在Nano Energy上（DOI：10.1016/j.nanoen.2023.108955）。

图1. STFY及其智能型防护功能织物的加工及特征

由于STFY具有稳定的层次结构，该纱线及其织物具有柔韧性、透气性、耐磨性和耐洗性等综合优势（图1）。特别是STFY将STF、弹性硅胶材料、金属丝材、柔性纤维等差异化多原料有效层状复构成纱，充分发挥材料由外及内的软、硬、弹、剪切增稠等性能协同，具有优异抗冲击防护能力（图2）；且STF含量越多、冲击力越大，STFY抗冲击吸能效果越好（图2）。

图2. STFY抗冲击力学特征及有限元模拟

图3. 多功能纱线传感器的穿着舒适性和抗冲击性能

织物实验表征结果表明：STF织物（STFF）具有柔软可折叠（图3a）、耐洗（图3b）、透气透湿（图3c）、接触舒适性；在保护性方面，STF织物（STFF）的抗冲击性和能量吸收能力都有所提高，可吸收73.5%外力，高于现有其它相关文献报道的抗冲击防护指标效果（图4c），因此STFF有效防护了生鲜鸡蛋从2米高度自由落在硬质地面上，仍保持完好无损（图3e）。机理模拟分析表明（图4g）：STFF的耗能机理归因STFY的纱线表层变形和芯层STF 剪切增稠的结合。因此经过万次摩擦后，STFF表层毛羽增多、表层结构更松软，吸能及抵抗外力防护效果稍有提升（图3d）。

图4.STFF的抗冲击性能

此外，他们还展示了多功能纱线STFY及其STFF在冲击防护、接触传感和运动监测方面的实际应用，彰显了其在智能防护纺织品、柔性可穿戴器件和人机交互界面的服役能力。

图5. 多功能STFF纺织品的运动监测应用

该工作是纤维及其集合体先进加工技术课题组近期关于液态功能材料的相关应用研究进展之一。液态功能材料的难纺性（如难握持，易破裂等）往往使其与纺织材料结合的研究带来极大困扰。为此，课题组负责人夏治刚教授带领课题组联合攻关，联盟华科、中科院、安踏等多家单位，开发了流体纺纱加工技术，系统探索了液流体功能材料与纺织材料的复构纺织加工、结构性能调控及应用。课题组采用先进功能纺纱加工技术获得了多功能传感、能量收集、个体防护系统的多个成功经验（Adv. Funct. Mater.，2022，32，2107682；Nano Energy 2023, 106, 108078; Chem. Eng. J., 2022, 137241; Composites Part B., 2022, 246, 110238; Composites Science and Technology, 2023, 235, 109972; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 2113-2121; Biosens. Bioelectron., 2020, 183, 107683等)。

该工作发表在Nano energy上（DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108955），第一作者为武汉纺织大学硕士生尚路路、吴展鹏和本科生李晓影，通讯作者为武汉纺织大学讲师付驰宇、中科院纳米能源所研究员董凯、华中科技大学教授苏彬和武汉纺织大学教授夏治刚。同时，非常感谢国家自然科学基金委、湖北省科技厅、武汉市科技局等单位对本课题所涉及纺织加工技术的大力支持和资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108955

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（责任编辑：xu）

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