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? ? ? ?在寒冷的冬季,現(xiàn)代人不再單純地追求保暖,而是更加注重在保暖的同時(shí)滿足輕薄、舒適、美觀的需求。于是自發(fā)熱纖維織物應(yīng)運(yùn)而生,它能主動(dòng)產(chǎn)生熱量,實(shí)現(xiàn)快速升溫和持續(xù)保溫,這與傳統(tǒng)厚重的棉衣、羽絨服等通過(guò)隔熱來(lái)被動(dòng)控制熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)以防止熱量損失完全不同。但是,目前問(wèn)世的自發(fā)熱纖維織物大多來(lái)自合成纖維,缺乏天然纖維,特別是絲綢舒適透氣,光滑親膚的感覺(jué),而且因?yàn)槠渲刑砑拥墓δ芰W?,使織物顏色變得很深,因此缺乏親膚性、舒適性和美觀度。
? ? ? ?生物大分子課題組多年來(lái)一種致力于高性能、功能化再生絲蛋白纖維的研制,最近他們成功研制成功了一種接近無(wú)色的自發(fā)熱絲綢織物面料,將來(lái)有望讓人們?cè)诙疽材艽┥陷p薄、舒適、保暖并且色彩繽紛的絲綢衣服。
? ? ? ?為克服納米顆粒通常很難均勻分散在紡絲液中的難點(diǎn),他們首先采用絲蛋白分子作為生物模板,在再生絲蛋白溶液中原位合成了可分散在其中并且具有強(qiáng)烈近紅外吸收的硫化銅納米顆粒,然后再將其加入到再生絲蛋白紡絲液中進(jìn)行濕法紡絲,成功制備了再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維。該雜化纖維力學(xué)性能良好,硫化銅納米粒子還起到了一定的增韌作用(圖1A),因此完全可以用來(lái)進(jìn)行加捻和編織織物(圖1B)。再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維束在近紅外光的照射具有顯著的光熱轉(zhuǎn)化性能(圖1C),僅含100 ppm硫化銅納米顆粒的再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維束(RC-100)能在3 分鐘內(nèi)升溫18.5oC(圖1D)。此外,再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維束在反復(fù)的超聲洗滌實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,升溫性能在第一次洗滌后能夠保持基本穩(wěn)定(圖1E)。
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圖1. (A) 再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維的力學(xué)性能;(B) 再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維束的光學(xué)照片;(C) 近紅外光下光熱轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)示意圖;(D) 再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維束的光熱轉(zhuǎn)換性能;(E) 再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維束的超聲洗滌穩(wěn)定性
? ? ? ?再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維加捻編織成織物后,與純?cè)偕z蛋白纖維織物相比沒(méi)有明顯的顏色變化(圖2A),將該織物置于模擬太陽(yáng)光下進(jìn)行照射,同時(shí)利用紅外成像儀觀測(cè)其表面溫度的變化。圖2B是純?cè)偕z蛋白纖維織物和再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維織物在模擬太陽(yáng)光照射下的升溫曲線,圖2C-E是在模擬太陽(yáng)光照射不同時(shí)間下的紅外圖像。結(jié)合紅外圖像和升溫曲線可以發(fā)現(xiàn),在模擬太陽(yáng)光照射前,兩種織物的初始溫度沒(méi)有差別,均為26oC。在模擬太陽(yáng)光照射下,再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維織物迅速升溫,在經(jīng)過(guò)1分鐘平均溫度升到35oC,經(jīng)過(guò)3分半鐘升到了40oC;而純?cè)偕z蛋白纖維織物在相應(yīng)時(shí)間分別只有32oC和34oC,遠(yuǎn)低于再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維織物。
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圖2. (A) 純?cè)偕z蛋白纖維織物(左)和再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維織物(右)的實(shí)物照片;(B) 純?cè)偕z蛋白纖維織物和再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維織物在模擬太陽(yáng)光照射下的升溫曲線;(C-E) 純?cè)偕z蛋白纖維織物和再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維織物在模擬太陽(yáng)光照射下的紅外圖像:(C) 初始時(shí)刻,(D) 1分鐘后,(E) 3分半鐘后
? ? ? ?此外,他們還成功地將加捻后的再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維通過(guò)十字刺繡的方式在棉質(zhì)布料上繡制圖案,證明了其與其他纖維混紡的可能性。圖3是繡制的楷體漢字“絲”,利用與上述相同的方法觀測(cè)其在模擬太陽(yáng)光照射下刺繡織物表面的紅外成像情況。從中可以看出在模擬太陽(yáng)光下,再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維繡制的“絲”字區(qū)域比周圍棉質(zhì)基底有明顯的升溫現(xiàn)象,并且紅外圖像中“絲”字輪廓清晰,分辨率很高。
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圖3. 在棉質(zhì)布料上用再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維刺繡上“絲”字后織物的 (A) 實(shí)物照片和 (B-D) 在模擬太陽(yáng)光照射下的紅外圖像:(C) 初始時(shí)刻,(D) 10秒后,(E) 200秒后
? ? ? ?綜上所述,生物大分子課題組采用濕法紡絲制備的再生絲蛋白/硫化銅雜化纖維能夠滿足織物所需的力學(xué)性能,色淡可染,并可吸收太陽(yáng)光能量進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)化,在自發(fā)熱織物領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
? ? ? ?論文以“Colorless Silk/Copper Sulfide Hybrid Fiber and Fabric with Spontaneous Heating Property under Sunlight”為題在線發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)雜志Biomacromolecules(DOI: 10.1021/acs.biomac.0c00170)上。論文的第一作者為碩士研究生王海鵬,通訊作者為陳新教授和來(lái)自中原工學(xué)院紡織學(xué)院的訪問(wèn)學(xué)者馬季玫教授,共同作者為邵正中教授、姚晉榮副教授和董慶林博士。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.biomac.0c00170
https://dx.doi.org/10.1021/acs.biomac.0c00170
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