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开发智能纺织品的新窗口

服装家居    2021-09-18 16:44

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研究背景

纺织品作为人类的重要组成部分,对人类的发展起到了重要的作用,为人类保暖,抵御周围恶劣的环境。

随着创新技术和科学的发展,近年来纤维已经发生了巨大的变化,进一步丰富了纺织品。

静电纺丝技术与智能材料的结合可以为智能纺织品的制造打开新的窗口。

本综述结合智能材料与静电纺纤维结构的特点,对主动交互型智能纺织品和被动型智能纺织品的异同分别进行了讨论,探索了用静电纺纤维开发智能纺织品的前景。

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图1. 静电纺在主动交互型智能纺织品和被动型智能纺织品方面的应。

 

交互型智能纤维

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图2.以抗菌纺织品为例,对比 (a) 被动型智能纺织品与(b)主动交互型智能纺织品的异同点。

交互行为通常与信息/刺激接收和反馈给予相关联。 信息/刺激接收被广泛认为是受到与材料特性显着相关的温度、pH、光、电和磁场等的刺激。 反馈与物理/化学性质变化、机械运动、形状变化、信号输出等有关。

图2所示的被动和交互式智能纤维的关键特征是,它们之间没有明显的边界,但交互式智能纤维具有交互性和更强的动力,一般通过应用智能材料、设计独特的结构和先进的制造技术来实现。

 

电纺制备交互式智能纤维

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图3.温敏型智能材料的特点,以及聚(N-异丙基丙烯酰胺)静电纺纤维膜在智能致动器方面的应用。

温度响应型聚合物,又称热响应型聚合物,具有随温度变化而变化的能力,这种变化内在地反映在聚合物链在溶液中圈状和球状两种热力学稳定状态之间的转变。

就LCST聚合物而言,它们在低于LCST点的水溶液中交联时可溶或可溶,而在LCST之上则变成不溶性或表现出收缩行为,反之,UCST聚合物则相反。

 

pH响应型智能纤维

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图4.(a)基于碱性基团的pH响应聚合物的机理示意图,(b)用作DNA传感器的聚合物电纺纤维垫的机理示意图。

根据MDAEMA片段的电离,周围的低pH值会导致MDAEMA片段之间的静电排斥,并导致exc准分子的分离,其特征在于准分子与单体的比率降低。

在存在DNA时,带齿的纤维与DNA中带相反电荷的基团进行相互作用,从而捕获DNA。 

与不存在DNA相比,DNA的添加通过静电相互作用有助于更多的pyr片段,从而导致受激准分子与单体的比率增加。

 此外,可以通过将pH值调节至7来进行DNA的分离。

 

光响应性电纺纤维

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图5.(a)偶氮苯的顺式转变和(b)偶氮苯改性PCL电纺纤维垫的光驱动润湿行为;(c)展示了AuNC负载PVDF静电纺丝纳米纤维垫在通过太阳能净化水中的应用。

 

电刺激响应性电纺纤维

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图6. (a) 电活性聚合物制备的智能致动器的结构示意图;(b) 静电纺尼龙纤维的SEM图显示了其纤维的取向结构。

 

电纺纤维在柔性电子器件方面的应用

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图7. B-N-F三元掺杂的通体多孔碳纳米纤维的制备与表征。

丁等人通过用硼酸的交联剂对聚四氟乙烯和聚乙烯醇(PVA)进行静电纺丝,然后氧化和热解制备一种导电率大于980 S cm-1的柔性电纺纤维毡。优异的导电性和在多次变形后不会出现裂纹的柔韧性使其在柔性电子领域具有广阔的应用前景。

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图8.具有摩擦发电性能纱线的制备以及性能表征。

采用电纺丝法制备了PAN、PVDF和银丝,分别作为芯材和壳材。在2.5 Hz的机械驱动下,该纱线能够产生40.8 V、0.705°A cm-2和9.513 nC cm-2的高产量,由此产生的智能电纺纤维垫具有生物力学传感特性。

 

静电纺丝构建被动智能纤维

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图9.  (a) 防水透湿原理示意图;(b) 接触角与表面能、表面张力关系示意图;(c) 用静电纺制备防水透湿纺织品示意图;(d) 通过静电纺制备得到纺织品的拒不同液体的效果图;

与通过主动改变其化学/物理特性与交互式纤维垫与外部环境的交流过程相比,被动的纤维毡更愿意不做任何事情,而只依赖于固有特性而不改变其化学/物理特性,例如防水透气的纤维毡 和抗菌纤维垫。

高孔隙率和精心设计的孔隙,通过对水滴或水蒸气的选择性渗透,保证了织物防水透湿的可能性。

在织物体系中,电纺PU纳米纤维毡在水蒸气和透气性方面表现出比PU和PTFT涂层织物更好的性能。通过引入疏水性粗糙表面,可以增强纺织品的防水性能和疏水性性能。