苏州纳米所张学同教授《ACS Nano》：芳纶纤维气凝胶/石蜡智能相变纤维

原创高分子科学前沿高分子科学前沿

智能纤维和功能性纤维在智能服装和可穿戴电子产品等多种应用中发挥着重要作用。然而，由于人们的注意力都集中在其功能上智能纤维经常遭受负面的穿戴体验，所以很少考虑到穿着舒适，而穿着舒适是一种普遍的、基本的感觉，它可以由接触、温度和湿度等许多参数来表征接触舒适性与纤维的柔韧性有关，而柔韧性是弯曲刚度的倒数，弯曲刚度可以通过控制纤维直径来调节因此，低弯曲刚度(小直径)的智能纤维适合编织成智能织物，而高弯曲刚度(大直径)的智能纤维根据其形状记忆、变色、抗菌、压电等功能，可用于特定的应用随着人们对热舒适的追求，具有热管理功能的温度调节纤维引起了人们极大的研究兴趣，使人们的生活更加舒适和智能化。

气凝胶具有高孔隙率、大比表面积和低密度的特点因此，气凝胶纤维充分发挥相变材料的纳米约束来制备相变纤维。与石墨烯气凝胶纤维、硅气凝胶纤维、和氧化钛气凝胶纤维等其他气凝胶纤维相比，凯夫拉尔气凝胶纤维(KAF)具有更高的机械强度然而，它的亲水性继承自其聚(对苯二甲酰胺)(PPTA)纳米级构建块，在与水接触或在潮湿的环境下会收缩，导致气凝胶结构的坍塌。综上所述智能纤维和功能纤维在可穿戴设备和其他高科技领域的广泛应用显示出巨大的潜力，但设计和制造具有可管理结构和多功能的智能纤维仍然是一个巨大的挑战。

目前，中国科学院苏州纳米所张学同教授团队提出了一种巧妙的弯曲刚度导向策略，制备出具有不同弯曲刚度的智能变相光纤。以疏水Kevlar气凝胶纤维(H-KAFs)为多孔主体，石蜡为功能客体，制备了疏水Kevlar气凝胶约束石蜡纤维(PW@H-KAF)。H-KAF是通过采用两步工艺，在含有乙醇和正溴丁烷混合物的特殊混凝浴中对凯夫拉尔纳米纤维(KNFs)进行功能化而得到的。相关工作以“Bending Stiffness-Directed Fabricating of Kevlar Aerogel-Confined Organic Phase Change Fibers”为题发表在《ACS nano》上。

智能相变纤维的制备流程

智能相变纤维的制备过程如图1a所示，其步骤依次为湿纺、溶胶-凝胶法/疏水功能化、超临界二氧化碳(CO₂)干燥和有机相变材料的注入。根据以前的报道，KNF分散体是通过在二甲基亚砜(DMSO)中溶解Kevlar码合成的。采用湿法纺丝将KNF分散体挤出到由乙醇和正溴丁烷按一定体积比组成的凝固浴中，同时进行凝胶化和疏水功能化。凝胶化后，将凝胶纤维转移到乙醇中进行溶剂置换。然后采用超临界干燥技术获得疏水气凝胶纤维。所制备的气凝胶纤维具有较大的比表面积和较高的孔隙率，具有较强的毛细管力限制功能材料处于液态。将该气凝胶纤维浸泡在熔化的石蜡中数小时直至饱和，得到PW@H-KAF。

图1：疏水凯夫拉尔气凝胶纤维和疏水凯夫拉尔气凝胶限制相变纤维的制备原理图

为了充分利用多孔结构，将H-KAF浸入熔融石蜡中制备PW@HKAF。图2a1为一卷变相光纤的光学图像。图2a2和a3分别是PW@H-KAF在正常光和偏振光下的照片。由于石蜡是一种典型的结晶材料，因此在偏振光下会出现较强的双折射现象。图2b、c分别为PW@H-KAF的横断面和表面SEM图像，可以看出石蜡中充满了孔隙，分布均匀。

图2：H-KAFs的表征和性质

为了进一步探索PW@H-KAF抗弯刚度较低的面料的应用性能，将其拧成股线并进行刺绣，如图3b1、b2所示。图3c是用这个PW@HKAF手工编织的绳子的光学图像。结果表明:PW@H-KAF具有较低的抗弯刚度(1.22 10 9 N·m²)，具有较高的柔韧性和较强的力学性能。

图3：H-KAFs的性质

如果相变纤维的弯曲刚度远高于之前计算的临界弯曲刚度，则作为织物会造成不适。而具有较大弯曲刚度的相变光纤在达到相变温度后会变得柔韧。图4a、b中的光学图像直观地反映了这一特性，弯曲刚度较低的光纤(直径为80 μm的细光纤)在支架上悬挂重物后绕支架爬行，而弯曲刚度较高的光纤(厚光纤、直径为80 μm的细光纤)在支架上悬挂重物后绕支架爬行。在室温下，直径400 μm的物体可承受自身重量64倍的物体，具有良好的刚性。但当温度升高超过熔点后，厚纤维逐渐变为低弯曲刚度状态，变得柔软柔韧，最终导致重物落在支架周围。图4c1显示了厚PW@ H-KAF在70℃下的抗弯性能，图4c2,c3显示了基于PW@ H-KAF的厚织物可以在高温下编程，并利用其刚度在室温下保持一定的形状来支撑重物(10 g)。

图4：小直径低抗弯刚度PW@H-KAF的性能及特点。

图4：大直径、高抗弯刚度PW@H-KAFs的性能特点。

小结：以疏水Kevlar气凝胶纤维(H-KAFs)为多孔主体，石蜡为功能客体，制备了疏水Kevlar气凝胶约束石蜡纤维(PW@H-KAF)。H-KAF是通过采用两步工艺，在含有乙醇和正溴丁烷混合物的特殊混凝浴中对凯夫拉尔纳米纤维(KNFs)进行功能化而得到的。制备的PW@H-KAFs具有较高的潜热(135.1 172 J/g)，良好的热循环稳定性和良好的力学性能(拉伸强度30 MPa，拉伸应变30%)。此外，具有抗弯刚度的PW@H-KAFs即使在石蜡固体状态下也低于临界刚度(1.22 10 9 N·m²)，表现出很高的柔韧性、耐洗性能和热管理能力，显示出智能调温织物的巨大潜力。PW@H-KAFs的弯曲刚度高于石蜡固体状态下的临界刚度，可以作为形状记忆材料，这是由于相变引起的刚度和柔度之间的转变。作为概念验证，基于PW@H-KAF(直径400 μm)设计了一种动态夹持器，用于在刚性状态下夹持物品，在柔性状态下释放物品。本工作通过弯曲刚度定向法实现了PW@H-KAFs的广泛应用，为相变复合材料的应用提供了思路。

全文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05693

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！

投稿模板：

单篇报道：上海交通大学周涵、范同祥《PNAS》：薄膜一贴，从此降温不用电！

系统报道：加拿大最年轻的两院院士陈忠伟团队能源领域成果集锦

历史进展：经典回顾| 聚集诱导发光的开山之作：一篇《CC》，开启中国人引领世界新领域！

继续滑动看下一个