上海科技大学凌盛杰教授课题组基于天然蚕丝开发出的热致变色纱线

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近日，上海科技大学物质学院凌盛杰教授课题组基于天然蚕丝开发出可规模化生产的热致变色纱线（TCSs），并进一步加工成智能可穿戴动态显示织物。该研究成果以Thermochromic Silks for Temperature Management and Dynamic Textile Displays为题发表于国际期刊Nano-Micro Letters上。

与聚合物合成纤维相比，天然动物丝纤维具有优异的力学性能以及良好的光泽、透气性和透湿性。然而，功能蚕丝纤维和织物的连续化生产中仍然有很多问题亟需解决。这项新发表的研究将成熟的纱线纺纱技术和简单的浸涂技术相结合，通过建立理论模型优化相关生产参数，达到不同种类表面涂层的均匀性的提升，最终获得高性能TCSs的连续生产(>10 km)。在连续化纺丝过程中，研究人员还利用溶剂对蚕丝表面进行可控部分溶解，来增强热致变色涂料与蚕丝纤维的界面结合作用，提升复合纤维的界面稳定性，保持了原始丝纤维的主体结构和本身优异的力学性能（图1）。最后，本研究中利用这类功能纱线，展示了一系列实际应用场景，为功能化蚕丝纤维的生产制备和应用，提供了切实可行的参考建议。

图1 | 连续化生产TCSs的装置示意图（a）；TCSs结构示意图（b）；连续生产收集的不同颜色TCSs (c)以及其表面均匀形貌显微图像(d)。

建立理论模型

蚕丝纤维快速通过不同种类涂料过程中，表面易发生瑞利不稳定性，导致涂覆不均匀（图2a）。研究中建立了相关的理论模型来优化工艺参数，包括涂料粘度和表面张力及纺丝速度。根据Landau–Levich–Derjaguin 理论，在连续涂覆过程中形成的涂料层厚度e₀可以基于已知纤维直径(b)时的毛细管数Ca值预测（阶段ⅰ）。连续涂覆过程中，纤维表面形成膜层后，由于Plateau-Rayleigh不稳定性，液体表面张力使液体自由表面积最小化，膜层逐渐发展成波形，甚至分裂成规则间隔的液滴(阶段ⅱ)。当阶段ⅱ的液体表面能大于阶段ⅰ均匀液体涂层的表面能时，推导出防止不稳定发生的临界条件。研究人员制备了一系列具有不同物理性质的液体涂料，记录了不同膜层的形态演变过程。如图2b所示，理论模型准确预测了产生均匀涂层所需的纺丝条件:当e₀/b小于临界值时，实验所获得的纤维表面涂层是均匀稳定的；当e₀/b大于临界值时，涂层从均匀膜转变为间隔液滴。

图2 | 涂料在蚕丝纤维表面连续涂覆过程因瑞利不稳定性产生不均匀结构（a）；纤维涂层厚度相对纤维直径(e₀/b)随毛细管数Ca的变化（b）

制备可随环境温度变色的织物

参数优化后，连续制备出的功能蚕丝纤维的强度、韧性及刚度与天然蚕丝相当，并保持了一定的弹性。可通过自动刺绣机将TCS纱线缝纫在各类织物上（图3）。功能织物在洗衣机清洗后保持稳定。本研究中采用的功能涂层为热致变色涂料，因此所制备的织物可响应环境温度变化而发生颜色变化。如一种TCS的热致变色温度为28℃，可以灵敏感应手指的靠近（图4a）。不同颜色和不同变色温度的热响应织物，可适应多种应用场景。如实现不同温度下变色的体温调节衣物（图4b）。

图3 | 使用商业绣花机加工图案化TCS织物。

图4 | CSs感应人体温度变化，或通过改变服装颜色实现体温调节功能。

通过外接电路控制织物变色

此外，TCSs还可以通过电来控制变色，原理基于导电纤维在导电过程中的热阻效应。借鉴了纺织工艺中的包覆纱生产技术，先连续制备出包缠结构的TCSs/碳纤维复合纱线。实现调节通过芯层碳纤维的电流强度来调控壳层TCSs显示的颜色。利用这种复合纱线，可与外电路连接构建数字显示织物，或在智慧服装上实现多功能实时动态显示。（图5）

图5 | 基于TCS/碳纤维电控变色复合纱线的智能可穿戴动态显示织物。

本论文的第一作者为上海科技大学物质学院2019级研究生王洋和凌盛杰教授课题组助理研究员任婧，通讯作者为凌盛杰教授。上海科技大学为第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院合肥科学中心卓越用户计划、化学纤维与高分子材料改性国家重点实验室以及上科大启动资金等的支持。另外，课题在开展过程中，上科大物质学院分析测试平台和电镜中心、上海同步辐射光源、上海蛋白质科学研究中心以及中国科学技术大学合肥国家同步辐射实验室在材料表征方面提供了大力支持。

文章链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-021-00591-w

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