智能纖維：一種柔性、自清潔的石墨烯氣凝膠智能相變纖維

智能纖維：一種柔性、自清潔的石墨烯氣凝膠智能相變纖維

智能纖維，通常指可感知環(huán)境變化或刺激（如光、電、溫度、濕度、pH、機械等）并能夠做出反應(yīng)的纖維，是智能可穿戴織物中重要的基本組成單元。智能纖維可通過智能織物形式，整合到臂帶、袖套、服裝、頭盔、腰帶等部位之中，并作為可穿戴傳感器、制動器、能源器件、調(diào)溫織物及加熱器等功能器件的核心單元應(yīng)用于柔性可穿戴智能系統(tǒng)中。然而，目前大多數(shù)織物纖維以天然高分子或合成高分子為主。這些高分子具有本征的熱絕緣及電絕緣性能，使其難以與微型化電路進行有機整合，因而不僅限制織物纖維在傳統(tǒng)電子器件中的應(yīng)用，還束縛著新型可穿戴電子器件及智能機器人的發(fā)展。此外，如何實現(xiàn)智能纖維在面對復(fù)雜環(huán)境及人機交互中多重刺激響應(yīng)的功能集成，依舊是一個重大挑戰(zhàn)，也是未來新型多功能智能可穿戴系統(tǒng)發(fā)展的重要機遇。



基于智能纖維多重刺激響應(yīng)的功能集成這一需求，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所氣凝膠團隊將石墨烯氣凝膠纖維、相變材料及超疏水涂層巧妙復(fù)合，得到一種柔性、自清潔的石墨烯氣凝膠智能相變纖維，實現(xiàn)了復(fù)合纖維的能源轉(zhuǎn)換與存儲、自清潔、智能調(diào)溫、加熱等多重刺激響應(yīng)功能于一身。



具體制備工藝如下：首先通過濕法紡絲工藝，將氧化石墨烯液晶紡入特定凝固浴中，經(jīng)化學(xué)還原-超臨界干燥等技術(shù)手段制備得到具有規(guī)整、連續(xù)、多孔的石墨烯氣凝膠纖維；然后通過浸漬填充，將有機相變材料（如石蠟、聚乙二醇、高級脂肪酸等）引入到氣凝膠纖維的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，獲得石墨烯氣凝膠相變復(fù)合纖維；最后在復(fù)合纖維上包裹氟碳疏水涂層，獲得具有自清潔功能、多重刺激響應(yīng)行為的柔性石墨烯氣凝膠智能纖維。

智能纖維：一種柔性、自清潔的石墨烯氣凝膠智能相變纖維

圖：石墨烯氣凝膠智能纖維的多重刺激響應(yīng)示意圖(a)、其編織圖案的光學(xué)照片(b,c,)與光-熱響應(yīng)時的紅外照片(b1,c1)、其智能織物（d內(nèi)插圖）在光/電刺激響應(yīng)下的熱能轉(zhuǎn)換與存儲/釋放的歷程(d)。



研究表明，這種新型的智能纖維具有可調(diào)的相變焓值（0-186 J/g）、優(yōu)異的力學(xué)/電學(xué)性能、自清潔及多重刺激響應(yīng)（光、電、溫度）的熱能轉(zhuǎn)換與存儲/釋放功能，且纖維可被加捻、編織。針對單根纖維、纖維束及織物等形式，分析并探究了復(fù)雜環(huán)境下的刺激響應(yīng)行為：當纖維彎曲或打結(jié)時，纖維的電熱響應(yīng)行為不受影響，當纖維集結(jié)成束時，纖維之間發(fā)生熱交換，能夠減少纖維向環(huán)境的熱流失，從而表現(xiàn)出更為快速的電熱響應(yīng)及更高的響應(yīng)溫度；纖維織物在室溫及低溫環(huán)境下均具有光-熱響應(yīng)行為，且隨著纖維織物的密集程度的增加，光熱響應(yīng)具有更快、更高的溫度響應(yīng)。進一步地，通過熱電偶及數(shù)據(jù)記錄儀，詳細分析了單根纖維、纖維織物的電熱、光熱響應(yīng)歷程，并詳細研究了纖維種類（不同相變材料的纖維混編織物）、纖維織物的密集程度、外部環(huán)境（溫度、濕度及應(yīng)力）對熱能捕獲及釋放的影響，實現(xiàn)智能織物的多溫度區(qū)間的熱能存儲、釋放及調(diào)溫功能（如圖所示）。



通過石墨烯氣凝膠纖維、相變材料及氟碳樹脂巧妙復(fù)合得到的石墨烯氣凝膠智能纖維實現(xiàn)了多重刺激響應(yīng)下的多功能集成，且可再現(xiàn)于纖維加捻而成的紗線及編織成的織物之中，在新一代智能可穿戴織物及便攜式電子器件領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果以Multiresponsive Graphene-Aerogel–Directed Phase-Change Smart Fibers為題，已在線發(fā)表于國際期刊《先進材料》（Advanced Materials，2018,30,DOI:10.1002/adma.201801754）。



博士生李廣勇（北京理工大學(xué)與蘇州納米所聯(lián)合培養(yǎng)）為論文第一作者，蘇州納米所研究員張學(xué)同為論文通訊作者，合作者包括澳門大學(xué)教授洪果，英國倫敦大學(xué)學(xué)院教授宋文輝。該工作是在國家重點研發(fā)計劃（2016YFA0203301）、國家自然科學(xué)基金（51572285）、英國牛頓高級學(xué)者基金（NA170184）和江蘇省自然科學(xué)基金（BK20170428）的共同資助下完成的。

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