智能纖維, 通常指可感知環境變化或刺激並能夠做出反應的纖維, 是智能可穿戴織物中重要的基本組成單元. 智能纖維可通過智能織物形式, 整合到臂帶, 袖套, 服裝, 頭盔, 腰帶等部位之中, 並作為可穿戴感測器, 制動器, 能源器件, 調溫織物及加熱器等功能器件的核心單元應用於柔性可穿戴智能系統中. 然而, 目前大多數織物纖維以天然高分子或合成高分子為主. 這些高分子具有本徵的熱絕緣及電絕緣性能, 使其難以與微型化電路進行有機整合, 因而不僅限制織物纖維在傳統電子器件中的應用, 還束縛著新型可穿戴電子器件及智能機器人的發展. 此外, 如何實現智能纖維在面對複雜環境及人機交互中多重刺激響應的功能整合, 依舊是一個重大挑戰, 也是未來新型多功能智能可穿戴系統發展的重要機遇.
基於智能纖維多重刺激響應的功能整合這一需求, 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所氣凝膠團隊將石墨烯氣凝膠纖維, 相變材料及超疏水塗層巧妙複合, 得到一種柔性, 自清潔的石墨烯氣凝膠智能相變纖維, 實現了複合纖維的能源轉換與存儲, 自清潔, 智能調溫, 加熱等多重刺激響應功能於一身. 具體製備工藝如下: 首先通過濕法紡絲工藝, 將氧化石墨烯液晶紡入特定凝固浴中, 經化學還原-超臨界乾燥等技術手段製備得到具有規整, 連續, 多孔的石墨烯氣凝膠纖維; 然後通過浸漬填充, 將有機相變材料 (如石蠟, 聚乙二醇, 高級脂肪酸等) 引入到氣凝膠纖維的多孔網路結構中, 獲得石墨烯氣凝膠相變複合纖維; 最後在複合纖維上包裹氟碳疏水塗層, 獲得具有自清潔功能, 多重刺激響應行為的柔性石墨烯氣凝膠智能纖維.
研究表明, 這種新型的智能纖維具有可調的相變焓值 (0-186 J/g) , 優異的力學/電學性能, 自清潔及多重刺激響應 (光, 電, 溫度) 的熱能轉換與存儲/釋放功能, 且纖維可被加撚, 編織. 針對單根纖維, 纖維束及織物等形式, 分析並探究了複雜環境下的刺激響應行為: 當纖維彎曲或打結時, 纖維的電熱響應行為不受影響, 當纖維集結成束時, 纖維之間發生熱交換, 能夠減少纖維向環境的熱流失, 從而表現出更為快速的電熱響應及更高的響應溫度; 纖維織物在室溫及低溫環境下均具有光-熱響應行為, 且隨著纖維織物的密集程度的增加, 光熱響應具有更快, 更高的溫度響應. 進一步地, 通過熱電偶及數據記錄儀, 詳細分析了單根纖維, 纖維織物的電熱, 光熱響應曆程, 並詳細研究了纖維種類 (不同相變材料的纖維混編織物) , 纖維織物的密集程度, 外部環境 (溫度, 濕度及應力) 對熱能捕獲及釋放的影響, 實現智能織物的多溫度區間的熱能存儲, 釋放及調溫功能 (如圖所示) .
通過石墨烯氣凝膠纖維, 相變材料及氟碳樹脂巧妙複合得到的石墨烯氣凝膠智能纖維實現了多重刺激響應下的多功能整合, 且可再現於纖維加撚而成的紗線及編織成的織物之中, 在新一代智能可穿戴織物及攜帶型電子器件領域具有廣闊應用前景. 相關研究成果以Multiresponsive Graphene-Aerogel–Directed Phase-Change Smart Fibers 為題, 已線上發表於國際期刊《先進材料》 (Advanced Materials, 2018, 30, DOI: 10.1002/adma.201801754) .
博士生李廣勇 (北京理工大學與蘇州納米所聯合培養) 為論文第一作者, 蘇州納米所研究員張學同為論文通訊作者, 合作者包括澳門大學教授洪果, 英國倫敦大學學院教授宋文輝. 該工作是在國家重點研發計劃 (2016YFA0203301) , 國家自然科學基金 (51572285) , 英國牛頓高級學者基金 (NA170184) 和江蘇省自然科學基金 (BK20170428) 的共同資助下完成的.
圖: 石墨烯氣凝膠智能纖維的多重刺激響應示意圖(a), 其編織圖案的光學照片(b, c,)與光-熱響應時的紅外照片(b1, c1), 其智能織物 (d內插圖) 在光/電刺激響應下的熱能轉換與存儲/釋放的曆程(d).
