东华大学俞建勇院士、覃小红教授团队在跨尺度纺纱领域取得系列进展

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静电纺纳米纤维材料因其超细的纤维尺度、灵活的材料选择性和结构可控性以及表面易功能化等优势，在功能性纺织品领域表现出巨大的应用前景。但静电纺纳米纤维材料普遍存在力学性能弱、由其形成的纳米纤维集合体结构稳定性差等突出问题，严重限制了其在功能性纺织品领域的实际应用。近年来，如何实现结构稳定、力学性能优良、功能持久的微纳米纤维集合体的高效可控制备成为了新的挑战和研究热点。近日，东华大学俞建勇院士、覃小红教授团队在跨尺度复合纱线的高效可控制备及应用领域取得系列突破性进展。

近日，该团队提出了将静电纺丝与传统纺纱技术相结合，通过纳米纤维与短纤棉网在线复合高效可控制备微纳米纤维跨尺度复合纱线的新策略——电离镶嵌纺（图1）。研究团队以自主设计开发的产业化自由液面静电纺丝装置为基础，通过在纤维梳理阶段，将宏量制备的PAN纳米纤维在线均匀沉积在二维蓬松的短纤棉网上，实现多尺度纤维集合体的高概率均匀复合，最终制备出纳米纤维片段长度可控并均匀分布的新型复合纱线。该方法的提出为多尺度纤维集合体的结构设计和高效制备提供了新的思路，同时也为微纳米纤维复合纱线的功能化、规模化应用提供了一种可行策略。相关成果以《微纳米纤维复合纱线的高效制备策略》（An efficient hybrid strategy for composite yarns of micro-/nano-fibers）为题，发表在SCI期刊《Materials Design》。论文第一作者为纺织学院博士生杨宇晨，东华大学为唯一署名单位。

图1.纳米纤维成纱模型图

基于开发的电离镶嵌纺技术，该团队研制了具有优异抗菌性能和抗菌持久性的跨尺度复合纱线。将抗菌电纺纳米纤维沉积在棉网上，并经过后续工序将抗菌纳米纤维嵌入纺织品（NFs-embedded textiles）。制备的功能性纺织品中，抗菌纳米纤维不仅分布在织物表面，同时分布在织物内部，很好的解决了纳米纤维作为功能性添加材料应用在传统纺织品上的限制。制备的NFs-embedded textiles对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效率均能达到99.99%。基于以上特点，以NFs-embedded textiles为基础，研制出了抗菌性能优异的运动服，经过35次洗涤之后，仍能抵抗95%以上的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。相关成果以《具有持久抗菌性能的功能性纳米纤维嵌入纺织品》（Functional nanofibers embedded into textiles for durable antibacterial properties）为题，发表在著名期刊《Chemical Engineering Journal》。该论文第一作者为纺织学院博士生仇巧华，东华大学为唯一署名单位。

图2.抗菌性能测试图

此外，该团队受自然界中水分在树木中传递的启发，制备了静电纺纳米纤维-棉纤维复合纱线，该纱线内部具有树杈型梯度的水分传递通道，在纱体内部产生差动毛细效应，实现水分在纱线径向中的快速传输（图3）。因此由该种纱线制成的织物能够有效地将人体表面的水分转移到服装外层，再通过外层强烈的蒸发效应，实现快速干燥，保持“人体-服装”微环境的舒适。该研究通过控制十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）的含量实现对聚己内酯（PCL）纳米纤维的润湿性能进行准确的控制，进而使纱线获得最优的水分管理性能，制备的织物可以获得1034.5%的单向传递指标和0.88的综合水分管理能力，该值可以比肩目前最先进的单向导水膜。该种纱线因其良好的水分管理性能，为吸湿排汗纺织品的结构设计提供了一种新的思路，可用于传统服装和功能服装等领域。相关成果以《用于吸湿排汗的润湿性可控的树形结构一维纤维集合体》（Wettability Control in Tree Structure-Based 1D Fiber Assemblies for Moisture Wicking Functionality）为题，发表在著名期刊《ACS Applied Materials &Interfaces》。该论文第一作者为纺织学院博士生毛宁，东华大学为唯一署名单位。

图3.树形导湿排汗纱线示意图

以上工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市教委科研创新计划重大项目等资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108196

https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123241

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b14370

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