研究进展
图1：异形纤维织物的宏观润湿性能。a） 不同结构的异形纤维制备过程示意图。通过熔融喷塑法制备了具有特定形状孔口的具有十字形、三角形和圆形横截面的异形纤维。b–d） 液体扩散在 b） 交叉 S 纤维上扩散的光学和热图像，c） 三角 S 纤维，和 d） 圆形纤维针织物。Cross-S 织物上的液滴扩散面积远大于 Triangle-S 和 Circular-S 织物上的液滴扩散面积，显示出最高的液体扩散能力。
为了研究液体在异形纤维织物上的铺展行为，我们选择了三种具有横截面形态的典型异形纤维：凹形交叉形状（Cross-S，+）、三角形（三角形-S，Δ）和圆形（Circular-S，O）。这些异形纤维是使用配备有预先设计的喷丝头孔的熔融纺丝方法制备的（图1a）。针织后，异形纤维织物表现出明显不同的液体润湿现象（图 1b-d）。使用光学相机观察相同体积的染色水滴在三种针织物上的扩散过程。Cross-S 织物上的液滴在 20 秒内完全扩散到相当大的区域（图 1b1，b2）。水滴在三角 S 织物上的传播非常有限，水滴痕迹的面积比 Cross-S 织物上的面积小得多（图 1c1，c2）。相比之下，在 Circular-S 织物上，染色的液滴保持球形并且几乎不会扩散，从而产生极少的残留液体痕迹（图 1d1、d2）。值得注意的是，液体的完全扩散可实现出色的液体蒸发性能。如图 1b3-d3 所示，使用红外热像仪原位观察了三种织物的表面温度。代表 Cross-S 织物上温度较低的深蓝色区域明显大于 Triangular-S 和 Circular-S 织物上的区域，表明对 Cross-S 织物的蒸发冷却效果最明显。因此，Cross-S 织物由于其快速蒸发速率而在速干织物中具有潜在的应用。
图2：单异形纤维的静态润湿行为。a–f） a，b） 横 S 纤维，c，d） 三角 S 纤维，以及 e，f） 圆 S 纤维的纵向表面和横截面的扫描电子显微镜 （SEM） 图像。g-i） 单股异形纤维的静态接触角和爬升高度。g） 具有多个凹槽的Cross-S 纤维，诱导毛细管上升，表现出最小的 CA ± 1.9°，爬升高度最大 （H = 0.24 ± 0.03 mm）;h） 三角 S 纤维的 CA 为 29.8 ± 1.7°，H = 0.18 ± 0.01 mm;i） Circular-S纤维的最大 CA 为 42.1 ± 0.9°，最小爬升高度 H = 0.14 ± 0.01 mm。
异形纤维织物的不同液体扩散现象归因于单个异形纤维的特定结构。如图 2a-f 所示，所选的三种纤维在纵向表面和横截面形态上都不同。Cross-S 纤维表现出突出的纵向凹槽（图 2a），并且四个侧面向内凹陷，形成一个近似的十字形，侧面有四个小的弯曲凹陷（图 2b）。三角 S 纤维沿长轴的三条边具有钝边和近乎平坦的表面（图 2c），其特征是三角形横截面（图 2d）。同时，Circular-S 纤维具有光滑的凸面和圆形横截面。如图 2g-i 所示，Cross-S 纤维的多个凹面可以产生毛细效应，使表面更加亲水，从而增强纤维的芯吸效果，从而有效扩大液体蒸发面积。
图4：基于 Cross-S 纤维的织物的快干性能。a） 左侧包含 Cross-S 纤维，右侧包含 Circular-S 纤维的织物图。b） 相同初始水量的 Cross-S 纤维和 Circular-S 纤维的铺展面积曲线。c） Cross-S 纤维和 Circular-S 纤维的平均蒸发速率与初始水体积的关系。d） 使用红外热像仪在织物上扩散和蒸发水分的过程。e） 运动后几乎被汗水浸湿的织物的表面温度变化。与Circular-S 纤维相比，蒸发速率高的 Cross-S 纤维具有更好的蒸发冷却效果。
为了进一步验证 Cross-S 纤维在速干织物上的有效性，研究人员编织了一种织物，左半部分包含 Cross-S 纤维，右半部分包含Circular-S 纤维（图4a）。将纺织品样品水平放置，然后在两侧分别滴入相同体积的液态水，以表征铺展区域。如图 4b 所示，Cross-S 纤维织物的铺展面积迅速增加，并在 ≈17 s 内达到完全铺展状态，此后面积没有明显变化（图 4b 红线）。事实证明，Cross-S 纤维织物的铺展面积比 Circular-S 纤维大（图 4b），这不可避免地导致更高的蒸发速率（图 4c）。当 Cross-S 纤维完全蒸发时，Circular-S 纤维上仍有大面积的液膜残留，目测证实 Cross-S 纤维具有更快的铺展速率和蒸发速率（图 4d）。此外，在室内环境中，被汗水浸湿的织物在皮肤上的表面温度在垂直方向上的变化如图 4e 所示。Cross-S 纤维的表面主要覆盖着蓝色，表示温度较低。而 Circular-S 纤维的表面主要保持红色，表明表面温度较高。在这里，Cross-S 纤维的汗液蒸发率提高，有效地从织物表面带走更多热量，从而产生卓越的蒸发冷却效果。
总结和展望
本研究开发了一种典型的 Cross-S 异形纤维，其特点是多个凹面和高离圆度，从而可以在单根纤维表面形成连续均匀的薄液膜。薄液体膜在单根纤维上具有最大的蒸发面积，提高了整体蒸发能力，与传统的圆柱形纤维和商用 Coolmax 纤维相比，可实现卓越的快速汗液输送和蒸发能力。这种异形纤维策略适用于制造高性能快干织物，也可以扩展到开发需要均匀涂层的智能电子纺织品的织物或膜。
https://doi.org/10.1002/adma.202403316
转载/合作/课题组投稿
联系邮箱：xianweishuo2021@163.com
