彩色纖維作為織物和服裝的基本構(gòu)成單元，廣泛應(yīng)用于日常生活中。工業(yè)上通過染整技術(shù)，連續(xù)化制備上千米的彩色纖維，從而實(shí)現(xiàn)彩色纖維的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。近些年，隨著可穿戴電子產(chǎn)品的日益普及和智能服裝概念的興起，開發(fā)智能變色纖維，并將其應(yīng)用在可穿戴顯示、視覺傳感和自適應(yīng)偽裝等領(lǐng)域，受到越來越多的關(guān)注。然而在現(xiàn)有的染整工藝中，染色后的纖維顏色無法可控地改變，導(dǎo)致智能變色纖維的連續(xù)化制備難度極大，也因此限制了彩色纖維的應(yīng)用。
電致變色具有可控性高、能耗低、材料種類和顏色變化豐富等優(yōu)點(diǎn)，因此為實(shí)現(xiàn)智能變色提供了一個(gè)很好的策略。但是，將電致變色纖維器件進(jìn)一步推向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。首先，由于復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)和不成熟的連續(xù)加工技術(shù)，電致變色纖維只能在實(shí)驗(yàn)室手工制作，這導(dǎo)致纖維長度有限（約10 cm），無法滿足工業(yè)需求。其次，隨著電致變色纖維長度的增加，電子轉(zhuǎn)移/離子擴(kuò)散距離增加，變色時(shí)間增長，難于保證均勻的顏色變化。第三，電致變色纖維中的電解質(zhì)和其他活性層缺乏有效的保護(hù)，不利于長期的實(shí)際使用。因此開發(fā)普適的制備方法，構(gòu)建基于不同電致變色材料的電致變色纖維，實(shí)現(xiàn)豐富的顏色變化，仍然是極具挑戰(zhàn)的工作。
鑒于此，東華大學(xué)先進(jìn)功能材料課題組王宏志教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)人員，利用平行雙對(duì)電極結(jié)構(gòu)，通過定制設(shè)備，首次實(shí)現(xiàn)了多色彩電致變色纖維的連續(xù)化制備，纖維長度可達(dá)百米以上。并且纖維器件具有良好的電化學(xué)和環(huán)境穩(wěn)定性（如機(jī)械穩(wěn)定性、水洗穩(wěn)定性、光照穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性）。該電致變色纖維可編織成大面積智能變色織物，或植入到織物中形成不同圖案，在可穿戴顯示和自適應(yīng)偽裝等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。該項(xiàng)研究成果以題為“Continuously processed, long electrochromic fibers with multi-environmental stability”發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。
通過設(shè)備定制，將其組裝成電致變色纖維連續(xù)化生產(chǎn)線。采用Cu@Ni金屬纖維作為電極，依次在表面涂覆ITO層、電致變色活性層，最后通過擠出的方法，將兩根對(duì)電極平行包裹在電致變色活性層表面并形成聚合物保護(hù)層，從而得到平行雙對(duì)電極結(jié)構(gòu)的電致變色纖維。通過使用不同的紫羅精類電致變色材料，在不同電壓下，變色纖維可實(shí)現(xiàn)灰和藍(lán)、灰和品紅以及黃和綠、深紅之間的可逆顏色変化。并且由于金屬纖維電極良好的導(dǎo)電性和電致變色活性層形成的較短的離子擴(kuò)散路徑，使電致變色纖維具有較快的變色速度。
通過調(diào)節(jié)電致變色活性層制備參數(shù)（固化溫度、傳輸速度等），使電致變色活性層均勻粘附在電極表面，活性層離子電導(dǎo)率可以達(dá)到3.07 × 10?3 S cm?1。此外，通過對(duì)比平行雙對(duì)電極結(jié)構(gòu)和單對(duì)電極結(jié)構(gòu)纖維的變色效果，以及對(duì)纖維器件進(jìn)行電勢(shì)分布模擬，可以看出平行雙對(duì)電極結(jié)構(gòu)具有更均勻的電勢(shì)分布，從而使電致變色纖維在長程范圍上仍具有較好的變色均勻性。
金屬纖維表面涂覆的ITO層可有效減少電致變色活性層中離子與金屬電極之間的副反應(yīng)，從而極大地提高了電致變色纖維的電化學(xué)穩(wěn)定性。300次循環(huán)后，纖維變色效果幾乎不變。電致變色纖維外層的聚合物保護(hù)層有效提高了纖維的環(huán)境穩(wěn)定性。電致變色纖維在100次彎折、100次水洗、20 h光照和30 h加熱后仍具有較好的變色效果。
由于電致變色纖維的可控性、變色均勻性和纖維長度的提高，可使用針織機(jī)將電致變色纖維編織成大面積電致變色織物，在電壓為?1.5 V時(shí)，織物顏色變?yōu)樗{(lán)色，在電壓為0 V時(shí)，織物顏色恢復(fù)為灰色。利用電致變色纖維織物的顏色變化對(duì)人物進(jìn)行偽裝，展現(xiàn)了其根據(jù)周圍環(huán)境變化進(jìn)行自適應(yīng)偽裝的潛力。除了用于自適應(yīng)偽裝外，具有各種顏色變化的電致變色纖維還可以植入/編織到織物中，用于可穿戴顯示。
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