智能纤维开发的三条路径

文/ 东华大学纤维材料改性国家重点实验室 材料科学与工程学院 相恒学 胡泽旭 杨升元 翁巍 陈志钢 朱美芳

开发高性能的智能纤维，关键在于深入研究能量转换机制，并以此制备具有定制化成分和结构的智能纤维

当前，在基础研究领域，中国的智能纤维研究与世界水平并行，因此智能纤维是中国纤维产业实现“从大到强”的一个良好契机，是破除国外对中国先进纤维垄断的一个强有力手段。了解以储能纤维、光热转换纤维和变色纤维为代表的结构功能一体化智能纤维的结构设计与服役机制，有助于实现对材料结构、多元材料复合、材料界面的优化，实现高效率的能量转换，以获得性能优异的智能纤维与织物。

智能纤维得到广泛认可和重视

从天然纤维到化学纤维，纤维材料经历了由简单到复杂，由单一功能到多重功能的变化，其应用领域也从传统的保暖服用纺织品扩展到国防军工、航空航天、汽车制造和医疗环保等领域。

纤维材料既是人类文明的一种象征，也已成为关乎国计民生的基础性材料，2017年我国化纤产量达4919.55万吨（占世界化纤总量的73.5%）。我国化纤产业结构经过优化升级，已在部分高性能纤维和生物基纤维的产业化、通用纤维的功能化等领域获得了显著的进步。近年来，纤维材料领域出现了一些新型纤维，如导电聚合物纤维、碳纳米管纤维、石墨烯纤维等。微观纳米尺度的碳纳米管或者石墨烯经过组装可构建成宏观的纤维，同时该纤维能够在一定程度上保持微观碳管或石墨烯自身优异的力学、电学或热学性能。

这些新型纤维能够主动感知外界环境（力、热、光、声、电、磁、化学、湿度和辐射等）的变化，并通过内部状态变化做出主动适应行为，该行为是区别于传统纤维的新颖应用，从而被定义为智能纤维。目前智能纤维已得到国内外广泛的认可和重视。美国于2016年成立革命性纤维和织物制造创新机构，其目标在于开发一类多元、多结构、多功能的智能纤维及织物，要创造可感官、可检测、可储存、可反应的智能纤维及织物。目前该机构已经吸引32 家大学、52 个公司和超过3.25 亿美元的投入。欧盟也设立未来纺织计划（futureTEX），该计划主要目标在于开发电子纺织材料、电子医疗设备中纺织材料、高性能纤维复合材料、节能用纺织材料等。同时，工业界也反向热烈，比如美国谷歌公司的Jacquard 智能服装计划，美国耐克公司和Under Armour 公司推出了众多智能运动服装产品等。

中国纤维产业从大到强的契机

中国在智能纤维相关领域同样有计划支撑，比如《中国制造 2025》中的智能制造工程、中国纺织工业“十三五”发展规划中的重点任务“智能化纺织”等。在基础研究领域，中国的智能纤维研究与世界水平并行，因此智能纤维是中国纤维产业实现“从大到强”的一个良好契机，是破除国外对中国先进纤维垄断的一个强有力手段。

根据功能来看（如图1所示），智能纤维包含热量管理纤维、电子信息纤维、环境变色纤维、形状记忆纤维等多系列品种。而智能纤维中智能的实现多是基于能量转换，例如储能纤维涉及化学能和电能的相互转换、发电纤维涉及光能和电能的转换、发热纤维涉及光能和热能的转换、变色纤维涉及电能和化学能的转换等。因此，开发高性能的智能纤维，关键在于深入研究能量转换机制，并以此制备具有定制化成分和结构的智能纤维，最终获得能量转换的高效率。因此，本文以储能纤维、光热转换纤维和变色纤维为例介绍结构功能一体化智能纤维的结构设计与服役机制。

针对三类智能纤维的研究

化学能——电能转换储能纤维是一类重要的智能纤维。随着近年来以谷歌眼镜、苹果手表为代表的可穿戴设备以及以电子皮肤为代表的柔性电子设备的迅猛发展，与之匹配的柔性储能器件变得尤为重要。储能纤维由于在柔性、组装、可穿戴等方面的优势，成为了柔性储能器件的研究重点。越来越多的研究表明，纤维的复合化是显著提高所得柔性器件能量密度的有效途径，其重点是获得定制化成分和结构。从自下而上（bottom-up）的角度，利用纳米材料直接组装成宏观的功能材料是一种最为常用的手段。例如，本课题组开发了一种石墨烯溶液的非液晶纺丝方法，通过碱液调节溶液中石墨烯片层表面的带电性，使片层间产生强烈的静电排斥力，形成无序排列，规模化连续制备得到具有高电化学性能的多孔纯石墨烯纤维。进一步利用纤维素纳米晶具有一维棒状刚性结构、表面富含亲水性基团的特点，将其作为纳米增强单元，通过上述纺丝方法，结合化学还原获得了多组分异质组装的rGO/CNC 杂化纤维（如图2所示）。

图1 智能纤维的主要分类

图2 rGO/CNC 杂化纤维的组装机理示意图

图3 NCY-Pind/CB1-4 的SEM 图和元素映射分析图

图4 （a）可拉伸电热致变白色纤维的结构示意图(b)断面SEM 以及(C)制备流程图

通过多元材料的设计，可有效改善石墨烯纤维中石墨烯片层堆积严重的现象，而且还能抑制石墨烯片层在纤维成形过程中可能存在的弯曲和折叠，使其在纤维轴向上排列，从而形成有序的纳米孔道结构，提高纤维器件的性能。另一方面，在宏观纤维材料修饰方面，在已成形的纱线上也可构筑不同的微纳结构，实现其功能与智能化。例如，为了克服传统纱线改性过程中导电活性物质在纺织纱线的涂覆不稳定性，本课题组通过静电纺丝，以不锈钢纱线作为纳米纤维的接收器，使聚吲哚/炭黑复合纳米纤维通过静电吸附自组装包裹在不锈钢纱线上，制得了超柔性线型电极。该方法简单易行，可应用推广制备各种纺织柔性智能纱线（如以PET纤维为基底），且其电化学性能可通过与碳纳米管、石墨烯以及MXene 等复合而进一步提升（如图3所示）。

光热转换纤维是另一类能够将特定波段的光直接转换成热量的智能纤维，在新型太阳能自发热保温织物、污水处理与海水淡化等领域拥有潜在应用价值。光热转换纤维由普通纤维材料与光热纳米材料复合得到，其光热转换性能主要取决于所使用的光热纳米材料。目前，国际上对光热转换材料的研究集中在光热纳米颗粒和光热转换薄膜两种形式中，如陈志钢将多种光热转换纳米材料（硫化铜、氧化钨等）与传统纤维相结合，制备了多种有机——无机杂化光热转换纤维和光催化纤维。

化学能——电能转换变色纤维作为另一类重要的智能纤维，其光学特性能通过调节电压或电流进行可逆改变，从而呈现不同的颜色，不仅在未来的柔性显示、可视化检测民用领域得到广泛的应用，还在军事隐身、伪装等领域具有广阔的发展前景。自从1969年美国科学家S.K.Deb 首次提出了非晶态WO3 薄膜的电致变色效应以来，人们对电致变色材料及相关器件开展了深入的研究，但是纤维状电致变色器件的组装仍是难点。康涅狄格大学G.A. Sotzing 等人使用氨纶织物作为基底，将导电聚合物PEDOT:PSS 浸涂在织物表面制备了一种更加柔软的反射型导电织物，然后再将电致变色聚合物前驱体溶液喷涂在织物表面，得到柔软的电致变色织物。王宏志等则采用双层结构的包芯纱（DCYs）作为可拉伸弹性基体，通过简单的浸涂法依次制备了化学还原石墨烯（RGO）-TiO2 导电层、PDMS 保护层和热致变色油墨层（图4）。这种多层结构设计保证了纤维在弯曲、扭曲以及拉伸等形变条件下纤维的拉伸以及变色稳定性。另外，纤维导电层电阻率达到 0.02Ω·m，通过热致变色油墨的调配和选择，即可实现多彩的拉伸变色，这类纤维可与传统的针织、或者编织工艺相结合，为纤维的功能化、智能化以及可穿戴领域的发展提供一种新的并且十分有效的方案。

概括来说，智能纤维的发展仍然处于萌芽期，但巨大的市场需求和广阔的应用前景，促使该领域研究迅猛发展。在智能纤维发展过程中，需要关注其存在的共性问题，即以高效率能量的转换机制为核心，通过对材料结构、多元材料复合、材料界面的优化，以及多维度结构构筑等手段，以获得系列性能优异的智能纤维与织物。