中國是絲綢的故鄉(xiāng)，國人利用蠶絲做成織物已經(jīng)有四千多年的歷史，絲綢以其舒適透氣，光滑親膚等特點被譽為“人類的第二肌膚”。絲綢衣服穿在身上天然有一種涼爽的感覺，因此在夏天倍受歡迎，但是到了冬天，往往被束之高閣。
在寒冷的冬季，現(xiàn)代人不再單純地追求保暖，而是更加注重在保暖的同時滿足輕薄、舒適、美觀的需求。于是自發(fā)熱纖維織物應(yīng)運而生，它能主動產(chǎn)生熱量，實現(xiàn)快速升溫和持續(xù)保溫，這與傳統(tǒng)厚重的棉衣、羽絨服等通過隔熱來被動控制熱對流和熱傳導以防止熱量損失完全不同。但是，目前問世的自發(fā)熱纖維織物大多來自合成纖維，而且因為其中添加的功能粒子，使織物顏色變得很深，因此缺乏親膚性、舒適性和美觀度。
復(fù)旦大學高分子科學系邵正中教授和陳新教授領(lǐng)導的生物大分子課題組多年來一種致力于高性能、功能化再生絲蛋白纖維的研制，最近陳新教授團隊成功研制了一種接近無色的自發(fā)熱絲綢織物面料，將來有望讓人們在冬季也能穿上輕薄、舒適、保暖并且色彩繽紛的絲綢衣服。
陳新教授團隊為克服納米顆粒通常很難均勻分散在紡絲液中的難點，首先采用絲蛋白分子作為生物模板，在再生絲蛋白溶液中原位合成了可分散在其中并且具有強烈近紅外吸收的硫化銅納米顆粒，然后再將其加入到再生絲蛋白紡絲液中進行濕法紡絲，成功制備了再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維。該雜化纖維力學性能良好，硫化銅納米粒子還起到了一定的增韌作用（圖1A），因此完全可以用來進行加捻和編織織物（圖1B）。再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維束在近紅外光的照射具有顯著的光熱轉(zhuǎn)化性能（圖1C），僅含100 ppm硫化銅納米顆粒的再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維束（RC-100）能在3 分鐘內(nèi)升溫18.5oC（圖1D）。此外，再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維束在反復(fù)的超聲洗滌實驗中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，升溫性能在第一次洗滌后能夠保持基本穩(wěn)定（圖1E）。
圖1. (A) 再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維的力學性能；(B) 再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維束的光學照片；(C) 近紅外光下光熱轉(zhuǎn)換實驗示意圖；(D) 再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維束的光熱轉(zhuǎn)換性能；(E) 再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維束的超聲洗滌穩(wěn)定性
再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維加捻編織成織物后，與純再生絲蛋白纖維織物相比沒有明顯的顏色變化（圖2A），將該織物置于模擬太陽光下進行照射，同時利用紅外成像儀觀測其表面溫度的變化。圖2B是純再生絲蛋白纖維織物和再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維織物在模擬太陽光照射下的升溫曲線，圖2C-E是在模擬太陽光照射不同時間下的紅外圖像。結(jié)合紅外圖像和升溫曲線可以發(fā)現(xiàn)，在模擬太陽光照射前，兩種織物的初始溫度沒有差別，均為26oC。在模擬太陽光照射下，再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維織物迅速升溫，在經(jīng)過1分鐘平均溫度升到35oC，經(jīng)過3分半鐘升到了40oC；而純再生絲蛋白纖維織物在相應(yīng)時間分別只有32oC和34oC，遠低于再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維織物。
圖2. (A) 純再生絲蛋白纖維織物（左）和再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維織物（右）的實物照片；(B) 純再生絲蛋白纖維織物和再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維織物在模擬太陽光照射下的升溫曲線；(C-E) 純再生絲蛋白纖維織物和再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維織物在模擬太陽光照射下的紅外圖像：(C) 初始時刻，(D) 1分鐘后，(E) 3分半鐘后
此外，陳新教授團隊還成功地將加捻后的再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維通過十字刺繡的方式在棉質(zhì)布料上繡制圖案，證明了其與其他纖維混紡的可能性。圖3是繡制的楷體漢字“絲”，利用與上述相同的方法觀測其在模擬太陽光照射下刺繡織物表面的紅外成像情況。從中可以看出在模擬太陽光下，再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維繡制的“絲”字區(qū)域比周圍棉質(zhì)基底有明顯的升溫現(xiàn)象，并且紅外圖像中“絲”字輪廓清晰，分辨率很高。
圖3. 在棉質(zhì)布料上用再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維刺繡上“絲”字后織物的 (A) 實物照片和 (B-D) 在模擬太陽光照射下的紅外圖像：(C) 初始時刻，(D) 10秒后，(E) 200秒后
綜上所述，陳新教授團隊采用濕法紡絲制備的再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維能夠滿足織物所需的力學性能，色淡可染，并可吸收太陽光能量進行光熱轉(zhuǎn)化，在自發(fā)熱織物領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
相關(guān)成果以“Colorless Silk/Copper Sulfide Hybrid Fiber and Fabric with Spontaneous Heating Property under Sunlight”為題在線發(fā)表在美國化學會雜志Biomacromolecules（DOI: 10.1021/acs.biomac.0c00170）上。論文的第一作者為復(fù)旦大學高分子科學系碩士研究生王海鵬，通訊作者為復(fù)旦大學高分子科學系陳新教授和中原工學院紡織學院馬季玫教授，共同作者為復(fù)旦大學高分子科學系邵正中教授、姚晉榮副教授和董慶林博士。該工作得到了國家自然科學基金的支持。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.biomac.0c00170
https://dx.doi.org/10.1021/acs.biomac.0c00170
