智能或功能纖維在可穿戴及其他高科技領(lǐng)域已顯示出較大潛力，但設(shè)計(jì)和制備結(jié)構(gòu)可控的智能或功能纖維仍然面臨挑戰(zhàn)。最近，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所氣凝膠團(tuán)隊(duì)通過(guò)一種彎曲剛度導(dǎo)向策略，制造出具有不同功能的有機(jī)相變纖維，并探索了其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用前景（圖1）。首先，研究利用正溴丁烷/乙醇混合溶劑作為濕法紡絲的凝固浴，對(duì)Kevlar納米纖維（KNF）質(zhì)子化同時(shí)進(jìn)行疏水功能化，再通過(guò)超臨界干燥，制備出疏水的凱夫拉氣凝膠纖維（H-KAFs）；接著，以H-KAFs為載體，使有機(jī)相變材料石蠟（PW）限域于載體內(nèi)，獲得有機(jī)相變纖維（PW@H-KAF）。此PW@H-KAFs具有高相變潛熱（135.1-172J/g）、出色的熱循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度達(dá)到30MPa，拉伸應(yīng)變達(dá)到30%）。當(dāng)PW@H-KAFs彎曲剛度低于臨界值（1.22×10-9N·m2）時(shí)，其在智能調(diào)溫織物領(lǐng)域顯示較大巨大應(yīng)用潛力；當(dāng)PW@H-KAFs彎曲剛度高于此臨界值，其可用作形狀記憶材料，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)成動(dòng)態(tài)抓手，用于特殊物體輸運(yùn)。
該團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)報(bào)道過(guò)疏水凱夫拉氣凝膠纖維的制備方法（ACS Nano 2019, 13(5), 5703-5711），但該疏水凱夫拉氣凝膠纖維是通過(guò)在親水氣凝膠纖維表面涂覆氟碳樹(shù)脂獲得。氟碳樹(shù)脂在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)脫落，易導(dǎo)致疏水功能失效。此次研究發(fā)現(xiàn)，使用正溴丁烷/乙醇混合溶劑作為凝固浴可以有效地疏水功能化KNFs，烷烴可通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)接枝到KNF的N-位點(diǎn)上，賦予KNF良好的疏水性，反應(yīng)過(guò)程如圖2所示。通過(guò)控制烷烴接枝取代度，可調(diào)控疏水角。當(dāng)取代度為8%時(shí)，疏水角可達(dá)140°?；谠摲椒ǐ@得的疏水凱夫拉氣凝膠纖維編織成面積為25×20cm2的織物，能對(duì)普通液體如茶、咖啡、可樂(lè)、紅酒、水、果汁和牛奶等表現(xiàn)出不粘附特點(diǎn)，顯示出優(yōu)異的抗污能力。
為充分利用氣凝膠纖維的限域作用，研究以H-KAFs為載體，將有機(jī)相變石蠟（PW）限域于該多孔載體內(nèi)，獲得有機(jī)相變纖維PW@H-KAF，如圖3所示。相變纖維焓值和循環(huán)穩(wěn)定性對(duì)實(shí)際應(yīng)用十分重要。H-KAF高孔隙率使石蠟的負(fù)載量高達(dá)90.2wt.%，相變焓高達(dá)172J/g，遠(yuǎn)高于商用相變纖維（相變焓約為3.72J/g）以及目前大部分文獻(xiàn)報(bào)道的相變復(fù)合材料焓值。該有機(jī)相變纖維具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性（循環(huán)100次，相變焓幾乎不變），在熱能儲(chǔ)存和熱管理方面顯示出較大大應(yīng)用潛力。此外，獲得的有機(jī)相變纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)30MPa，斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)30%。
研究表明，紡織品用纖維（長(zhǎng)度為2mm）屈曲載荷應(yīng)小于0.75mN，超過(guò)該臨界值會(huì)使皮膚產(chǎn)生刺癢感。結(jié)合彎曲剛度公式（Rf=EI=πED4/64）和歐拉屈曲方程式（PE=π2EI/(4l2)），研究人員計(jì)算出發(fā)生相變前PW@H-KAF的臨界彎曲剛度為1.22×10-9N·m2，臨界直徑為91.8μm。當(dāng)PW@H-KAFs彎曲剛度低于此臨界值時(shí)，表現(xiàn)出良好的柔韌性，可以對(duì)其進(jìn)行加捻、刺繡、編織，用其編織成的織物手感舒適、柔軟，如圖4所示。此外，得益于H-KAF的高比表面積和豐富介孔產(chǎn)生的強(qiáng)毛細(xì)作用以及前述疏水功能化改性，此PW@H-KAF不會(huì)發(fā)生相變材料泄漏問(wèn)題，具有優(yōu)異的耐水洗性能。同時(shí)，高達(dá)90.2wt.%的相變材料負(fù)載量使得此PW@H-KAF具有優(yōu)異的溫度管理功能，在環(huán)境溫度升高/降低過(guò)程中，其溫度變化出現(xiàn)延遲，表明其智能蓄熱調(diào)溫能力。制備具有不同相變溫度的PW@H-KAF，并混編成織物，可拓寬溫度調(diào)節(jié)范圍。
當(dāng)PW@H-KAFs的彎曲剛度高于臨界值時(shí)，雖然不適合人體穿著，但可用作形狀記憶材料，如圖5所示。這是由于彎曲剛度較高的PW@H-KAFs在達(dá)到相變溫度后會(huì)變得柔軟，表現(xiàn)出溫度依賴的剛?cè)徂D(zhuǎn)變。當(dāng)溫度高于PW相變溫度時(shí)，將此有機(jī)相變纖維設(shè)計(jì)成初始狀態(tài)，隨后在相變溫度之上轉(zhuǎn)變成特殊形狀并降溫至相變溫度之下固定。再次加熱后，該固定形狀會(huì)恢復(fù)至初始狀態(tài)，顯示出形狀記憶功能。作為概念驗(yàn)證，研究人員基于PW@H-KAF（直徑為400μm）設(shè)計(jì)出一種動(dòng)態(tài)抓手，此種動(dòng)態(tài)抓手可根據(jù)物體外觀特征設(shè)計(jì)并在室溫或低溫下保持固定形狀用于承載和輸運(yùn)物體，在加熱過(guò)程中由于剛度降低逐漸恢復(fù)初始狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)釋放物體的功能。為評(píng)估其抓取能力，測(cè)得其高彎曲剛度狀態(tài)下，最大拉力大于0.1N，在低彎曲剛度狀態(tài)下，最大拉力小于0.005N，表明其具有較高的靈敏度。此外，此種動(dòng)態(tài)抓手從高彎曲剛度狀態(tài)到低彎曲剛度狀態(tài)的響應(yīng)時(shí)間可由熱源功率調(diào)節(jié)和控制。
該工作通過(guò)彎曲剛度導(dǎo)向策略制備出一系列PW@H-KAFs，其在智能調(diào)溫織物、自動(dòng)控制、甚至智能機(jī)器人領(lǐng)域顯現(xiàn)出廣泛應(yīng)用前景，為有機(jī)相變纖維的應(yīng)用提供了新思路。相關(guān)研究成果以Bending Stiffness-Directed Fabricating of Kevlar Aerogel-Confined Organic Phase-Change Fibers為題，發(fā)表在ACSNano上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)-牛頓高級(jí)學(xué)者基金和江蘇省自然科學(xué)基金等的資助。
圖1.PW@H-KAF制備及應(yīng)用示意圖
圖2.疏水H-KAFs表征和性能
圖3.PW@H-KAF的表征和性能
圖4.抗彎剛度低于臨界值的PW@H-KAF性能及特點(diǎn)
圖5.彎曲剛度高于臨界值的PW@H-KAF特征和性能
