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武漢紡大夏治剛課題組 Nano Energy：在“液流體智能防護功能紡織品”方面取得進展

2023-10-05 來源：高分子科技

近年來，具有抗沖擊和智能監(jiān)測功能的智能可穿戴設備越來越受到人們的關注。剪切增稠材料因其吸能防護的優(yōu)勢，非常適用于抗沖擊材料的制備。但是，目前通過浸漬、涂覆等方式制備的剪切增稠流體（STF）基復合防護紡織品，存在穿戴舒適性差、液體易泄漏、耐磨耐用性差等問題，因此將STF加工成兼?zhèn)渫笟狻⒂H膚、耐用的智能型抗沖擊防護功能紡織品，難度大、挑戰(zhàn)度高。為解決該加工技術難題，武漢紡織大學徐衛(wèi)林院士團隊的纖維及其集合體先進加工技術課題組，攜手中科院納米能源所、華中科技大學，采用多種材料分層包裹復合的液流紡紗加工技術（圖1），批量化開發(fā)了一種基于液態(tài)剪切增稠材料的復合紗線（STFY）及其織物面料，有效用于抗沖擊防護管理、人體運動監(jiān)測和能量收集。成果發(fā)表在Nano Energy上（DOI：10.1016/j.nanoen.2023.108955）。

圖1. STFY及其智能型防護功能織物的加工及特征

由于STFY具有穩(wěn)定的層次結構，該紗線及其織物具有柔韌性、透氣性、耐磨性和耐洗性等綜合優(yōu)勢（圖1）。特別是STFY將STF、彈性硅膠材料、金屬絲材、柔性纖維等差異化多原料有效層狀復構成紗，充分發(fā)揮材料由外及內的軟、硬、彈、剪切增稠等性能協同，具有優(yōu)異抗沖擊防護能力（圖2）；且STF含量越多、沖擊力越大，STFY抗沖擊吸能效果越好（圖2）。

圖2. STFY抗沖擊力學特征及有限元模擬

圖3. 多功能紗線傳感器的穿著舒適性和抗沖擊性能

織物實驗表征結果表明：STF織物（STFF）具有柔軟可折疊（圖3a）、耐洗（圖3b）、透氣透濕（圖3c）、接觸舒適性；在保護性方面，STF織物（STFF）的抗沖擊性和能量吸收能力都有所提高，可吸收73.5%外力，高于現有其它相關文獻報道的抗沖擊防護指標效果（圖4c），因此STFF有效防護了生鮮雞蛋從2米高度自由落在硬質地面上，仍保持完好無損（圖3e）。機理模擬分析表明（圖4g）：STFF的耗能機理歸因STFY的紗線表層變形和芯層STF 剪切增稠的結合。因此經過萬次摩擦后，STFF表層毛羽增多、表層結構更松軟，吸能及抵抗外力防護效果稍有提升（圖3d）。

圖4.STFF的抗沖擊性能

此外，他們還展示了多功能紗線STFY及其STFF在沖擊防護、接觸傳感和運動監(jiān)測方面的實際應用，彰顯了其在智能防護紡織品、柔性可穿戴器件和人機交互界面的服役能力。

圖5. 多功能STFF紡織品的運動監(jiān)測應用

該工作是纖維及其集合體先進加工技術課題組近期關于液態(tài)功能材料的相關應用研究進展之一。液態(tài)功能材料的難紡性（如難握持，易破裂等）往往使其與紡織材料結合的研究帶來極大困擾。為此，課題組負責人夏治剛教授帶領課題組聯合攻關，聯盟華科、中科院、安踏等多家單位，開發(fā)了流體紡紗加工技術，系統(tǒng)探索了液流體功能材料與紡織材料的復構紡織加工、結構性能調控及應用。課題組采用先進功能紡紗加工技術獲得了多功能傳感、能量收集、個體防護系統(tǒng)的多個成功經驗（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)。

該工作發(fā)表在Nano energy上（DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108955），第一作者為武漢紡織大學碩士生尚路路、吳展鵬和本科生李曉影，通訊作者為武漢紡織大學講師付馳宇、中科院納米能源所研究員董凱、華中科技大學教授蘇彬和武漢紡織大學教授夏治剛。同時，非常感謝國家自然科學基金委、湖北省科技廳、武漢市科技局等單位對本課題所涉及紡織加工技術的大力支持和資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108955

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（責任編輯：xu）

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