智能纖維開發的三條路徑

文/ 東華大學纖維材料改性國家重點實驗室 材料科學與工程學院 相恒學 胡澤旭 楊升元 翁巍 陳志鋼 朱美芳

開發高性能的智能纖維，關鍵在于深入研究能量轉換機制，并以此制備具有定制化成分和結構的智能纖維

當前，在基礎研究領域，中國的智能纖維研究與世界水平并行，因此智能纖維是中國纖維產業實現“從大到強”的一個良好契機，是破除國外對中國先進纖維壟斷的一個強有力手段。了解以儲能纖維、光熱轉換纖維和變色纖維為代表的結構功能一體化智能纖維的結構設計與服役機制，有助于實現對材料結構、多元材料復合、材料界面的優化，實現高效率的能量轉換，以獲得性能優異的智能纖維與織物。

智能纖維得到廣泛認可和重視

從天然纖維到化學纖維，纖維材料經歷了由簡單到復雜，由單一功能到多重功能的變化，其應用領域也從傳統的保暖服用紡織品擴展到國防軍工、航空航天、汽車制造和醫療環保等領域。

纖維材料既是人類文明的一種象征，也已成為關乎國計民生的基礎性材料，2017年我國化纖產量達4919.55萬噸（占世界化纖總量的73.5%）。我國化纖產業結構經過優化升級，已在部分高性能纖維和生物基纖維的產業化、通用纖維的功能化等領域獲得了顯著的進步。近年來，纖維材料領域出現了一些新型纖維，如導電聚合物纖維、碳納米管纖維、石墨烯纖維等。微觀納米尺度的碳納米管或者石墨烯經過組裝可構建成宏觀的纖維，同時該纖維能夠在一定程度上保持微觀碳管或石墨烯自身優異的力學、電學或熱學性能。

這些新型纖維能夠主動感知外界環境（力、熱、光、聲、電、磁、化學、濕度和輻射等）的變化，并通過內部狀態變化做出主動適應行為，該行為是區別于傳統纖維的新穎應用，從而被定義為智能纖維。目前智能纖維已得到國內外廣泛的認可和重視。美國于2016年成立革命性纖維和織物制造創新機構，其目標在于開發一類多元、多結構、多功能的智能纖維及織物，要創造可感官、可檢測、可儲存、可反應的智能纖維及織物。目前該機構已經吸引32 家大學、52 個公司和超過3.25 億美元的投入。歐盟也設立未來紡織計劃（futureTEX），該計劃主要目標在于開發電子紡織材料、電子醫療設備中紡織材料、高性能纖維復合材料、節能用紡織材料等。同時，工業界也反向熱烈，比如美國谷歌公司的Jacquard 智能服裝計劃，美國耐克公司和Under Armour 公司推出了眾多智能運動服裝產品等。

中國纖維產業從大到強的契機

中國在智能纖維相關領域同樣有計劃支撐，比如《中國制造 2025》中的智能制造工程、中國紡織工業“十三五”發展規劃中的重點任務“智能化紡織”等。在基礎研究領域，中國的智能纖維研究與世界水平并行，因此智能纖維是中國纖維產業實現“從大到強”的一個良好契機，是破除國外對中國先進纖維壟斷的一個強有力手段。

根據功能來看（如圖1所示），智能纖維包含熱量管理纖維、電子信息纖維、環境變色纖維、形狀記憶纖維等多系列品種。而智能纖維中智能的實現多是基于能量轉換，例如儲能纖維涉及化學能和電能的相互轉換、發電纖維涉及光能和電能的轉換、發熱纖維涉及光能和熱能的轉換、變色纖維涉及電能和化學能的轉換等。因此，開發高性能的智能纖維，關鍵在于深入研究能量轉換機制，并以此制備具有定制化成分和結構的智能纖維，最終獲得能量轉換的高效率。因此，本文以儲能纖維、光熱轉換纖維和變色纖維為例介紹結構功能一體化智能纖維的結構設計與服役機制。

針對三類智能纖維的研究

化學能——電能轉換儲能纖維是一類重要的智能纖維。隨著近年來以谷歌眼鏡、蘋果手表為代表的可穿戴設備以及以電子皮膚為代表的柔性電子設備的迅猛發展，與之匹配的柔性儲能器件變得尤為重要。儲能纖維由于在柔性、組裝、可穿戴等方面的優勢，成為了柔性儲能器件的研究重點。越來越多的研究表明，纖維的復合化是顯著提高所得柔性器件能量密度的有效途徑，其重點是獲得定制化成分和結構。從自下而上（bottom-up）的角度，利用納米材料直接組裝成宏觀的功能材料是一種最為常用的手段。例如，本課題組開發了一種石墨烯溶液的非液晶紡絲方法，通過堿液調節溶液中石墨烯片層表面的帶電性，使片層間產生強烈的靜電排斥力，形成無序排列，規模化連續制備得到具有高電化學性能的多孔純石墨烯纖維。進一步利用纖維素納米晶具有一維棒狀剛性結構、表面富含親水性基團的特點，將其作為納米增強單元，通過上述紡絲方法，結合化學還原獲得了多組分異質組裝的rGO/CNC 雜化纖維（如圖2所示）。

圖1 智能纖維的主要分類

圖2 rGO/CNC 雜化纖維的組裝機理示意圖

圖3 NCY-Pind/CB1-4 的SEM 圖和元素映射分析圖

圖4 （a）可拉伸電熱致變白色纖維的結構示意圖(b)斷面SEM 以及(C)制備流程圖

通過多元材料的設計，可有效改善石墨烯纖維中石墨烯片層堆積嚴重的現象，而且還能抑制石墨烯片層在纖維成形過程中可能存在的彎曲和折疊，使其在纖維軸向上排列，從而形成有序的納米孔道結構，提高纖維器件的性能。另一方面，在宏觀纖維材料修飾方面，在已成形的紗線上也可構筑不同的微納結構，實現其功能與智能化。例如，為了克服傳統紗線改性過程中導電活性物質在紡織紗線的涂覆不穩定性，本課題組通過靜電紡絲，以不銹鋼紗線作為納米纖維的接收器，使聚吲哚/炭黑復合納米纖維通過靜電吸附自組裝包裹在不銹鋼紗線上，制得了超柔性線型電極。該方法簡單易行，可應用推廣制備各種紡織柔性智能紗線（如以PET纖維為基底），且其電化學性能可通過與碳納米管、石墨烯以及MXene 等復合而進一步提升（如圖3所示）。

光熱轉換纖維是另一類能夠將特定波段的光直接轉換成熱量的智能纖維，在新型太陽能自發熱保溫織物、污水處理與海水淡化等領域擁有潛在應用價值。光熱轉換纖維由普通纖維材料與光熱納米材料復合得到，其光熱轉換性能主要取決于所使用的光熱納米材料。目前，國際上對光熱轉換材料的研究集中在光熱納米顆粒和光熱轉換薄膜兩種形式中，如陳志鋼將多種光熱轉換納米材料（硫化銅、氧化鎢等）與傳統纖維相結合，制備了多種有機——無機雜化光熱轉換纖維和光催化纖維。

化學能——電能轉換變色纖維作為另一類重要的智能纖維，其光學特性能通過調節電壓或電流進行可逆改變，從而呈現不同的顏色，不僅在未來的柔性顯示、可視化檢測民用領域得到廣泛的應用，還在軍事隱身、偽裝等領域具有廣闊的發展前景。自從1969年美國科學家S.K.Deb 首次提出了非晶態WO3 薄膜的電致變色效應以來，人們對電致變色材料及相關器件開展了深入的研究，但是纖維狀電致變色器件的組裝仍是難點。康涅狄格大學G.A. Sotzing 等人使用氨綸織物作為基底，將導電聚合物PEDOT:PSS 浸涂在織物表面制備了一種更加柔軟的反射型導電織物，然后再將電致變色聚合物前驅體溶液噴涂在織物表面，得到柔軟的電致變色織物。王宏志等則采用雙層結構的包芯紗（DCYs）作為可拉伸彈性基體，通過簡單的浸涂法依次制備了化學還原石墨烯（RGO）-TiO2 導電層、PDMS 保護層和熱致變色油墨層（圖4）。這種多層結構設計保證了纖維在彎曲、扭曲以及拉伸等形變條件下纖維的拉伸以及變色穩定性。另外，纖維導電層電阻率達到 0.02Ω·m，通過熱致變色油墨的調配和選擇，即可實現多彩的拉伸變色，這類纖維可與傳統的針織、或者編織工藝相結合，為纖維的功能化、智能化以及可穿戴領域的發展提供一種新的并且十分有效的方案。

概括來說，智能纖維的發展仍然處于萌芽期，但巨大的市場需求和廣闊的應用前景，促使該領域研究迅猛發展。在智能纖維發展過程中，需要關注其存在的共性問題，即以高效率能量的轉換機制為核心，通過對材料結構、多元材料復合、材料界面的優化，以及多維度結構構筑等手段，以獲得系列性能優異的智能纖維與織物。