香港城市大学胡金莲教授开发出“反常”的羊毛衫,一年四季都能穿!

一场秋雨一场寒,随着最近几天接连不断的降雨,秋天微凉的感觉也在逐渐靠近。怕冷的朋友们或许已经开始考虑把压箱底许久的羊毛衫穿出来保暖了。每逢季节交替,我们总是要这样子更新一下我们的衣柜。从科学的角度上来讲,这是由于我们的核心温度对于外界气温和湿度十分敏感。为了让机体的正常运转,我们不得不针对不同条件(外界气温的变化、是否大量运动等)更换不同的衣服,以保证我们皮肤能够通过热传导、热对流、热辐射和汗液蒸发的方式保证体温的恒定。

为了能让人穿着更舒服,基于相变材料、红外响应材料和湿度控制材料等的织物被开发出来,然而能同时实现对寒冷和炎热环境响应的织物仍然十分少见。目前最有希望解决上述问题的材料之一是形状记忆材料(SMM)。尽管从上世纪90年代开始就逐渐有相关研究出现,但是这些方案往往都存在诸如高成本、不适合大面积生产、机械性能差、有毒等缺陷。究其原因,一般都是由于使用了高成本的材料或是加工工艺复杂。

近些年来,羊毛的水驱动形状记忆特性受到了广泛关注。这一特性来源于构成羊毛的角蛋白的α-螺旋/β-折叠的转变。基于上述特性,香港城市大学胡金莲教授课题组发明了可用于温度调节羊毛织物制备的针织工艺。在液体环境中(出汗),羊毛纱线会明显变细,大幅提高织物孔隙率,提高散热能力;当织物变干后,纱线又会回复初始形状。这使得羊毛衫具有了反常的凉爽特性,使其具有全天候使用的能力。同时该工艺能有效提高羊毛织物形状记忆特性对水的响应速度、响应程度和循环稳定性,使其能更好地用于日常生活中。上述成果以“Wool Can Be Cool: Water-Actuating Woolen Knitwear for Both Hot and Cold”为题发表于Advanced Functional Materials。

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1. 羊毛的形状记忆特性

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图 1 形状记忆羊毛织物的温度调控特性及原理

 

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图 2 纱线的双向形状记忆能力

一般而言,纺织物都具有多层级的结构。多根纤维首先卷绕形成纱线,纱线再经过纺织形成织物。由于羊毛表面的鳞片具有防水的作用,研究人员首先通过氯化处理去除羊毛表面的鳞片,再进一步纺纱、制备针织物。羊毛纤维的形状记忆特性是实现织物热管理的核心。在吸水时羊毛会变细、变长、伸展;在脱水后羊毛会恢复到较粗、较短、卷绕的状态(图1)。经过处理的羊毛纤维不仅在水中,而且在人工汗液(微酸性)环境中都具有更明显、更快的形状记忆反应,并且这一特性双向性的,能够多次重复(图2)。

2. 水驱动的织物孔隙变化

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图 3 羊毛纤维形状记忆特性控制的织物形貌变化

 

由于羊毛的上述形状记忆行为,经过理论设计,具有特定卷绕方式的纱线在吸水或脱水时也会表现出类似的行为,并引发针织物结构的变化。吸水后变细、变长的纱线会让织物的孔隙打开,在干燥后又会闭合,且上述行为在50次循环实验中保持稳定。另一重要特性是孔隙的开放率是随着吸水量增高而逐渐增高的,这使其散热能力具有了更好的控制性。

3. 织物的温度调控性能

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图 4 织物散热性能表征

人体散热主要通过热传导、热对流、热辐射和蒸发四种方式,上述四种方式在人体散热中所占比例分别为5、15、20、60%。通过表征织物的空气透过率、导热系数、水气透过率和红外透光率可以分别说明织物对上述四种散热方式效率的影响。研究结果表明在吸水后,织物的空气透过率和导热系数都有明显提升;不论温度和湿度,织物的水气透过率都在吸水后提升;织物对红外线的透过率也有提升。因而织物总的散热效率在吸水后会明显比干燥时的要高。

总结

利用羊毛水驱动形状记忆的特性,研究人员把原本保暖防寒的羊毛织物改造成了适合全天候穿着的织物。通过纺织工艺,羊毛吸水变细、变长的特性被用于让织物孔隙变大,提高织物的散热性能。这一特性使得织物能够“感应”人体汗液的变化,从而控制衣物散热效率,保持人体温较为恒定,其制备工艺也完全与目前的纺织工艺兼容。或许很快我们就可以穿上一件四季通用的羊毛衫了。

全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202005033

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