CEJ：受叶片气孔启发，用于个人热管理的形状记忆涂层棉织物
文摘
2024-12-29 20:05
北京
在衣服和人体皮肤之间微环境的维持涉及织物材料内部复杂的传热和传质机制（包括散热和透湿），开发具有温度/湿度调节功能的智能纺织品对于户外活动和医疗保健应用至关重要，但将动态自适应热管理整合到传统织物中以提供机体舒适性仍是一个重大挑战。浙江理工大学刘向东团队受植物叶子巧妙气孔的启发，通过“接枝”策略和“雾聚合”方法的组合，将形状记忆聚合物 （SMP） 共价连接在棉纤维表面，这种涂层使纱线根据温度动态加捻，改变织物中的孔径以对散热性和透湿性进行自适应调整，在低温下提供有效的隔热效果，同时在高温下表现出增强的散热效果。SMP 在织物上的不对称分布实现了单向水分输送，从而改善了汗液的传导和蒸发，为自适应热调节纺织品领域提供了新的见解。相关工作以“A Janus textile mimics leaf stoma for dynamic thermal regulation through a shape memory coating”为题于2024年发表在《Chemical Engineering Journal》。背景
由于热调节能力有限，传统面料通常不足以在体温和环境条件的快速波动期间提供合适的舒适度。户外工作者和锻炼者等个人经常面临热舒适度不足的高风险，某些有特殊护理需求的人（如儿童和卧床不起的病人）或受着装限制的人（如士兵和警察）对纺织品的热调节要求更高。一旦纺织品能够进行动态热调节，就能够迅速调整其织物结构或纤维特性以响应波动条件，从而有效减轻热环境的影响。实际上，对水溶胀纤维的探索推动具有汗液响应特性的智能纺织品的发展，水分诱导的形状变化可以响应汗液而驱动其织物结构，具有独特水溶胀特性的聚合物被整合到 Janus纤维中。在吸水时，这些 Janus 纤维会发生弯曲变形，为其纱线和织物在与汗液接触时实现动态变形提供动力，但仍然面临无序驱动、反应速度慢和变形幅度有限等挑战，特别是机织物中实施的适应性。温度响应动作是智能纺织品的首选策略，因为它能够与人体皮肤和环境温度直接快速同步。然而，温度响应纺织品的发展明显落后于汗液响应纺织品的发展。形状记忆聚合物 （SMP） 具有响应外部刺激而发生形状转变的能力，特别是环境温度的变化 ，但将 SMP 集成到织物中，同时在织物孔隙结构中实现有效的温度响应变化仍具有挑战性，因为它至少需要满足三个条件：纤维表面的不对称 SMP 涂层以驱动纤维加捻、保持织物特性（如透气透湿）与纤维表面的稳定键合。表征与分析
形状记忆聚合物 PEG-BA 通过“嫁接自”方法整合到棉织物结构中，SCF/I/PB 的 SEM 图像表明改性表面存在 PEG-BA，而在未改性的表面 （SCF/I/PB-B） 上没有观察到这种迹象。与 SCF 相比，SCF/I 的红外光谱在 1719、1624 和 1585 cm-1 处表现出三个额外的峰，分别归因于 C = O、C = C 和 N-H 键，说明可聚合的甲基丙烯酸酯部分已接枝到纤维素表面。当从 SCF/I 改性为 SCF/I/PB 时，由于 PEG-BA 接枝到棉织物上，甲基和亚甲基 （2962、1259、1014 和 795 cm-1）中 C-H 键的弯曲振动得到增强。 此外，X 射线光电子能谱 （XPS） 光谱也表明 PEG-BA 已成功接枝到棉织物上。将织物编程为 70 °C 加热 10 分钟，然后在 10 N 的压力下在 0 °C 下淬火 5 分钟，获得临时形状 1 的压缩形状。随后，将其加热至 40 °C 以获得恢复的形状，获得临时形状 2。SCF/I/PB的3D超深图像在70 °C的温度下显示出明显的纱线间孔隙，临时形状 1 显示出明显的收缩。将织物重新加热至 40 °C 后，临时形状 2 恢复到接近原始状态。相比之下，SCF 织物在编程温度下不会表现出孔径或波动高度的显著变化，表明纤维表面的 PEG-BA 涂层具有有效的调控能力，能够结合纱线间孔的“闭合”和“开放”实现温度响应变形性能。从织物中随机选择两根纱线，分别是 SCF 和 SCF/I/PB，它们已被预先编程为退捻的临时形状 1 。SCF/I/PB 纱线表现出与温度相关的加捻行为，其卷曲高度在 76 秒内从 0 °C 时的约 126 μm 增加到 40 °C 时的约 222 μm 。重要的是，在将纱线转移回 0 °C 板上时，观察到纱线快速顺时针旋转，同时卷曲高度降低至约 126 μm。即使在 20 个洗涤周期后，仍观察到 SCF/I/PB 纱线的卷曲高度变化很小，表明 SCF/I/PB 织物的温敏形状记忆性能具有显著的耐洗性。纱线的捻度在决定其直径方面起着重要作用：较高的捻度会导致较小的直径，而较低的捻度会导致较大的直径。因此，在 0 °C 时沿解捻方向旋转纱线会导致纱线直径增加和纱线之间孔径减小。在 40 °C 下沿捻度方向旋转纱线会导致纱线直径减小，纱线之间的孔径增加。![]()
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将 PEG-BA 接枝到织物的一侧表面，形成 Janus 织物结构，形成两个具有不同水润湿性的表面。改性表面称为 SCF/I/PB-F，而未改性面称为 SCF/I/PB-B。SCF/I/PB-F 表面显示出疏水性，水接触角 （WCA） 值为 121.9°，SCF/I/PB-B 表面显示出与 SCF/I 织物相似的亲水性，这种 Janus 织物将有助于将水定向输送到亲水性强的区域。当水滴接触 SCF/I/PB-F 表面时，它会受到向上的疏水力 （Fs） 和向下的静水压力 （Fh），一旦 Fh 克服了 Fs 的屏障力，水滴就会从疏水层中移动，并与下面的超亲水基材接触。此时，强大的毛细管力 （Fc） 在除向上外所有方向均作用在液滴上。因此，Fs 会逆转并促进液滴的向下传输，直到它最终扩散通过亲水层。这一推测通过蓝色水滴运输实验得到证实，当蓝色水滴 沉积在 SCF 或 SCF/I 织物表面时，它会立即塌陷并均匀地分布在两侧，表现出相同的润湿直径。然而，当放置在 SCF/I/PB-F 表面时，它在坍缩前保持了 4-6 秒的球形，然后逐渐渗透并扩散到 SCF/I/PB-B 侧，观察到 SCF/I/PB-B 表面与 SCF/I/PB-F 表面相比具有更深的颜色。使用水分管理测试仪 （MMT） 进一步评估单向输水能力，无论两侧的位置如何，SCF/I/PB-B 的含水量始终高于 SCF/I/PB-F，表明 Janus 面料具有独特的单向水运输途径，可以有效地从体内排出汗液。同时，随着温度的升高，SCF/I/PB-F 侧和 SCF/I/PB-B 侧的 WCA 差异越来越大，促进了水向 SCF/I/PB-B 侧的定向运动。应用
Janus织物表现出动态温度响应特性，包括孔径和表面疏水性的动态变化，可以增强纺织品的热管理功能。在寒冷的环境中，人们倾向于选择具有隔热性能的服装，而在炎热和对体力要求较高的情况下，他们寻求具有增强热和水蒸气传递性能的纺织品，以促进高效冷却。SCF/I/PB 的 WVP 值在 0 °C 时低于 SCF （38.2 %），因为它被控制为纱线之间孔隙“闭合”的临时形状 1。随着温度的升高，SCF/I/PB的WVP值逐渐超过SCF。在 40 °C 的温度下，SCF/I/PB 的值比 SCF 高 5.8%，这是由于独特的单向水蒸气传输能力和扩大的孔隙率的协同作用，表明纱线之间的孔“打开”。 为了评估其在低温环境下的隔热性能，将织物模制成临时形状 1 成型为管状，将环境温度从 25 ± 2 °C 降低到 -18 ± 2 °C（冰箱中）后，当传感器被 SCF/I/PB 织物覆盖时，温度下降速度比被 SCF 织物覆盖时慢，SCF/I/PB 织物的冷却缓冲时间比 SCF 织物长 28 秒，有助于防止体温突然下降和相关健康损害。将织物固定在汗液蒸发模拟器上，该模拟器由模拟皮肤 （37 °C）、汗液发射器（位于模拟皮肤表面，流速为 0.01 mL·min-1）和传感器组成，用于记录织物和模拟皮肤之间微环境中的温度和湿度。在室温下 30 分钟内，无孔封口膜 （PM996） 和 SCF 分别保持在 36.4 °C 和 33.9 °C，同时达到 79 % 和 56 % 的湿度水平。然而，当使用 SCF/I/PB 时，温度下降到 32.5 °C，而湿度下降到 48 %。此外， SCF 的湿重在测试后大约是 SCF/I/PB 的三倍，由于 SCF 会吸收水蒸气，可能会阻碍热量和水分的传输，从而引起令人不快的湿冷感。相比之下，独特的动态织物结构使 SCF/I/PB 表现出卓越的单向输水能力。由于定向水传输的协同效应和纱线之间的“开放”孔隙，与以前的研究相比，织物显示出更好的凉爽性，还表现出比 SCF 更低的湿重 ，这可以提高舒适感。
