柔性无机电致发光器件及其在智能纺织品上的应用进展

柔性无机电致发光器件具有发光效率高、响应速度快、制备成本低、发光稳定等特点,可以实现柔性显示、智能传感等功能,在智能手机、电子皮肤、智能可穿戴等领域有着广泛的应用前景。而纺织材料的柔性、可穿戴性及成熟的加工技术使其成为柔性电致发光器件的优良载体。柔性无机电致发光器件主要包括硫化锌柔性电致发光器件、钙钛矿基柔性电致发光器件和其他无机发光材料基柔性电致发光器件,其与纺织材料的结合方法主要包括印刷、涂层、层压及编织等。因此,文章从无机电致发光材料出发,对其发展历程、设计思路、制备方法、发光原理及其在纺织品上的应用及存在的问题和面临的挑战进行综述,并对基于电致发光技术的智能可穿戴纺织品应用及发展展开讨论,以更好地推进智能纺织品的发展。

弹性导电复合纤维的制备及其应变与温度传感性能

为满足柔性可穿戴传感器的多功能传感需求,实现应变和温度传感具有重大的意义。采用湿法纺丝技术制备聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)/银纳米线(AgNWs)/聚氨酯(PU)弹性复合导电纤维,研究其拉伸应变传感性能和温度传感性能。结果表明:当AgNWs质量分数为20%,(PEDOT:PSS)与PU质量比为1∶3时,纤维热电性能达到最佳,电导率为47.4 S/cm,塞贝克系数为13.8μV/K,功率因数为902.7 nW/(m·K^(2)),此外,该弹性导电复合纤维具有良好的力学性能,断裂伸长率可达800%,能够检测0%~90%的应变范围,并在100次循环拉伸/回复下依旧保持良好稳定性;同时可将其作为温度传感器,快速检测人体与环境温度。

纤维晶体管器件研究进展

在学科高度交叉、技术深度融合、物联网、人工智能、类脑计算等新兴产业迅猛发展的时代背景下,传统携带式可穿戴电子设备已难以满足人们对高性能电子纺织品的需求。为全面探究纤维晶体管在电子织物领域的应用前景,首先简述了纤维晶体管的组成、分类与工作原理,重点介绍了纤维基有机场效应晶体管和纤维基有机电化学晶体管;其次,介绍了纤维晶体管器件在智能可穿戴和植入式生化传感器、忆阻器和人工突触类脑计算神经形态器件、逻辑电路等前言领域的研究进展;分析了纤维晶体管在器件集成、性能优化和实际应用等方面所面临的问题与挑战。研究指出纤维晶体管在推动电子织物、人机交互、智慧医疗等国家战略产业发展和驱动人类社会迈向泛智能时代中的应用前景,期望为下一代高性能纤维晶体管的发展提供借鉴与启发。

超级柔韧性和优异电磁屏蔽性能的PVA-co-PE纳米纤维覆铜膜

本工作通过紫外辐射诱导和化学还原反应相结合成功制备了具有多级结构的聚乙烯醇-聚乙烯(PVA-co-PE)纳米纤维覆铜膜,PVA-co-PE纳米纤维覆铜膜具有超级柔韧性能和电磁屏蔽性能,且具有多次循环压缩后性能不减的稳定性。首先通过紫外辐照引入一定量的活化羟基,然后通过静电配位和铜粒子的化学还原作用,在纳米纤维膜上实现无钯镀铜。采用傅里叶红外光谱仪(AIR-FTIR)、能量色散型X射线荧光分析仪(EDX-7000)、扫描电子显微镜(SEM)等对样品进行结构性能分析。结果表明,成功实现PVA-co-PE纳米纤维覆铜膜的制备,SEM图表明,铜颗粒均匀分布于纳米纤维膜表面,并且薄膜由亲水转变为不易浸润。通过四探针仪器和矢量网络分析仪表征了薄膜材料的导电性和电磁屏蔽性能。结果表明,覆铜膜达到导体水平,吸波值达到47.3 dB。经过多次循环压缩后覆铜膜材料电磁屏蔽性能几乎不减,说明制得的纳米纤维覆铜膜具有优异的柔韧性和吸波稳定性,其在柔性智能可穿戴元器件领域具有广阔的应用空间。

辐射降温聚烯烃纳米纤维膜的制备及其性能

为提高纳米纤维防护材料的热湿舒适性,利用乙烯-辛烯共聚弹性体(POE)和醋酸丁酸纤维素酯(CAB)为原料,通过熔融共混相分离法制备了辐射降温POE纳米纤维膜,并与乙烯醇-乙烯共聚物(PVA-co-PE)纳米纤维膜、棉织物进行对比,研究其形态结构、红外辐射透过率、降温效果及透湿性。结果表明:POE纳米纤维膜的形态均匀,平均直径为570 nm,其直径及孔径均大于PVA-co-PE纳米纤维膜;POE纳米纤维膜的中红外辐射(7~14μm)透过率接近100%,且随着纳米纤维膜厚度的增加而明显下降。与之对比,PVA-co-PE纳米纤维膜在相应波段的透过率有所下降,而棉织物完全不能透过中红外光;POE纳米纤维膜具有更好的红外辐射降温效果,将其覆盖在加热模块表面后,真空条件下模块温度保持不变,室温条件下模块温度仅升高0.5℃;此外,POE纳米纤维膜表现出良好的透湿性,其透湿率为2845 g/(m 2·d),略低于棉织物的(3530 g/(m 2·d));将POE纳米纤维作为涂层材料涂覆在棉织物表面构筑复合防护膜,可提升棉织物的过滤阻隔性能,且不影响其热湿舒适性。

紫外辐照对芳纶纤维结构与性能的影响

在空气中对芳纶纤维进行紫外辐照,研究紫外辐照对芳纶纤维结构变化、热稳定性能、结晶性能、表面微观形貌以及拉伸性能的影响。采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、热重分析仪(TG)表征分析了芳纶纤维紫外辐照前后化学结构、热稳定性的变化。采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线广角衍射仪(XRD)分别观察芳纶纤维紫外辐照前后的表面形貌和晶体结构转变。最后采用单丝强力仪等对样品力学性能进行表征。FTIR结果表明,经过紫外辐照后纤维表面出现新的含氧化合物。SEM和AFM观察结果显示,紫外辐照后纤维表面变得粗糙,并出现沟壑,且随辐照时间增加,粗糙度增加。XRD结果表明,紫外辐照对芳纶纤维晶体结构影响较小。拉伸性能结构显示随着紫外辐照时间的增加,芳纶纤维的单丝抗拉强度出现下降。芳纶纤维经紫外辐照后,表面化学活性提高,粗糙度增加,这将有效改善芳纶纤维与复合基体之间的界面黏合性,增强界面作用力,这对于解决高性能纤维自身难以编织以及复合强度不佳的瓶颈问题具有重要意义,为进一步拓宽芳纶纤维在高防护服饰、防护鞋面等需要增强界面黏合的复合材料领域方面的应用提供参考。

聚丙烯腈纳米纤维基压电声学传感器的制备及性能

为提高柔性声学传感器的声电转换能力,采用静电纺丝技术制备不同纺丝液浓度和不同厚度的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜,构筑“三明治”结构柔性声学传感器。研究了纺丝液浓度和纤维膜厚度对膜谐振特性和声学传感器输出电压的影响,以及薄膜谐振特性与传感器输出电压响应之间的关联性。结果表明,纺丝液浓度直接影响分子链构象、纤维直径及其均匀度;其中构象会影响薄膜的压电性能和声学传感器的声电转换过程、纤维直径和均匀度会影响膜的谐振特性,从而影响器件的输出电压。当纺丝液浓度为12%、PAN纳米纤维膜厚度为60μm时,构筑的声学传感器的输出电压最高可达2.7 V。

梯度纳米纤维膜在纯生啤酒中的除菌过滤研究

针对目前商业化纯生啤酒用除菌滤膜存在孔径分布宽、抗污性差、膜孔易堵塞、可重复使用性差等问题,利用熔融挤出相分离法制备了不同直径大小的乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH),通过将粗、细纳米纤维在上、下层的先后排列构筑了一种梯度结构纳米纤维膜。通过对梯度纳米纤维膜过滤性能、抗污性及可重复使用性等进行研究,发现梯度纳米纤维膜对10 g/L的酵母浸膏发酵液重复过滤后,稳定后的通量为22660 L m^(-2)h^(-1),远高于Pall®商业膜(4840 L m^(-2)h^(-1))。经高温蒸汽灭菌处理后的梯度纳米纤维膜的稳定通量为6600 L m^(-2)h^(-1),而商业膜仅为1760 L m^(-2)h^(-1),表现出优异的耐高温水蒸气性能。此外,污染后的梯度纳米纤维膜经80℃水清洗后的通量恢复率可达43%,而商业膜的通量恢复率仅为32%,表明梯度纳米纤维膜显示了优异的可重复使用性。为纯生啤酒用除菌滤膜的国产化替代提供了一种新的途径。

对位芳纶/炭黑复合纤维的制备及其性能研究

传统对位芳纶纤维结构规整,表面改性困难,功能相对单一,通过干喷-湿法纺丝工艺,向对位芳纶前驱液中引入炭黑进行功能化改性,制备出对位芳纶/炭黑复合纤维。采用扫描电子显微镜、X射线衍射分析仪、傅里叶红外光谱仪对其形貌以及结构进行表征并采用热重分析仪、电子单纤维强力机、热红外成像仪探究对位芳纶/炭黑复合纤维的性能。结果表明:相比于未引入炭黑的对位芳纶纤维,对位芳纶/炭黑投料质量比为95∶5的复合纤维断裂伸长率增长了97.13%,而断裂强力保留率为73.82%,仍具有良好的热稳定性,此外在红外灯辐照7 min后,温度变化高达34℃,展示出良好的光热转换性能。

纤维基创面敷料的研究进展

随着人们对医疗需求的增长及各种生物活性材料的出现,创面敷料已由传统仅能被动包覆创面走向多样化及功能化。针对纤维基创面敷料,系统地总结了天然/人工纤维为原料的创面敷料研究现况,成型方式对纤维基创面敷料性能的影响。最后对纤维基创面敷料的功能化进行了总结并介绍了现有市售纤维基创面敷料的主要应用场景及不足,为纤维基创面敷料的后续发展提供了参考。

PAN/PAAc复合纤维膜的吸附动力学研究

以聚丙烯腈(PAN)为结构框架,制备了PAN/聚丙烯酸(PAAc)复合纤维膜,研究了其吸附动力学。结果表明:当N,N-二甲基甲酰胺、PAN、丙烯酸、丙烯酸羟丙酯、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮的质量分数分别为87.30%,9.70%,1.47%,1.47%,0.06%时,PAN/PAAc复合纤维膜对镍离子的吸附效率高达75.39%,且该吸附行为较符合准二级吸附动力学模型,其中,外扩散占主导作用。

表面具有交联结构的UHMWPE纤维的制备及抗蠕变性能研究

本工作通过湿法纺丝制备超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维,并结合水解缩合反应对UHMWPE纤维进行表面改性,研究了改性纤维化学结构、热稳定性以及微观形貌的变化,系统探究了改性纤维抗蠕变性能与结构之间的变化关系。结果表明:改性后,纤维表面形成明显交联结构,纤维结晶度下降,热稳定性变化不大,表面分子链运动能力下降。相比于未改性UHMWPE纤维样品,改性纤维抗蠕变性能提升超过50%。本工作集UHMWPE纺丝工艺与表面改性于一体,显著提高了UHMWPE纤维的抗蠕变性能,并通过两种测试方法进行了验证,这为制备高抗蠕变UHMWPE纤维材料提供了方法。

抗菌功能纤维材料的研究进展

随着科技的进步以及生活水平的提高,人们对纺织品的生物安全性认识逐步提高,功能性抗菌纤维材料逐渐受到了越来越多的关注。为了进一步促进抗菌纺织品的发展,系统地总结天然/人工抗菌纤维的应用前景,介绍并对比共混纺丝法、复合纺丝法、接枝改性法和后整理法等制备方法的优缺点,对纤维中所用的抗菌剂进行了介绍,并总结了抗菌纤维存在的问题,为制备抗菌纤维的跨越式发展提供了参考。

聚吡咯/氨纶长丝的应变传感性能与应用

为制备应用于运动监测方面的柔性拉伸应变传感器,探索拉伸型应变传感材料自身长度及拉伸应变对运动监测效果的影响,将表面聚合吡咯的氨纶长丝裁剪成不同长度进行循环拉伸测试,通过扫描电子显微镜和红外光谱仪对氨纶长丝和聚吡咯/氨纶长丝的微观形貌及化学结构进行表征,并测试分析了不同长度的聚吡咯/氨纶长丝在不同速率下拉伸不同应变时的电力学性能。结果表明:通过原位聚合可使聚吡咯完全覆盖氨纶长丝表面,所得聚吡咯/氨纶长丝在500%的应变范围内应力最高可达21.0 MPa;灵敏度值在0%~63%和118%~243%应变范围内分别为1.82和43.3,在800 mm/min速率下拉伸10%应变的响应时间为200 ms。为探索聚吡咯/氨纶长丝与实际应用的匹配性,测试了不同长度聚吡咯/氨纶长丝在连续循环拉伸过程中的电阻变化,归纳其电阻变化特性,并将有效长度1 cm的聚吡咯/氨纶长丝固定在食指第2关节处以监测手指关节的重复弯曲。

表面接枝聚乙烯吡咯烷酮的聚乳酸纤维改性

针对聚乳酸(PLA)纤维的强疏水性,对聚乳酸纤维表面接枝聚乙烯吡咯烷酮进行研究。通过万能强力仪、红外光谱仪、扫描电子显微镜对改性聚乳酸纤维进行力学性能和结构的表征,并对纤维水解质量减少率、改性纤维吸水率和接枝率进行测定。结果显示:碱水解和酸水解之后的聚乳酸纤维均成功地接枝了聚乙烯吡咯烷酮(PVP);但是碱水解的聚乳酸纤维接枝PVP的接枝率低于酸水解的聚乳酸纤维;2种接枝PVP的聚乳酸纤维吸水率明显提高,分别是未改性聚乳酸纤维吸水率6.44倍和8.97倍,但是接枝后聚乳酸纤维的力学性能均下降。

聚乙烯醇-乙烯/SiO 2复合柔性驱动膜的制备及其性能

针对当前柔性智能驱动材料在开发过程中存在的响应性差、制备工艺复杂、成本高、刺激源污染大等问题,采用分层喷涂法制得具有非对称结构的聚乙烯醇-乙烯共聚物(PVA-co-PE)/SiO 2双层复合柔性驱动膜,并对其表面形貌、亲疏水性、力学性能、驱动性能等进行表征与测试分析。结果表明:纳米纤维直径越小,越有利于SiO 2粉体在纳米纤维表面的附着,复合驱动膜的亲水性随着纳米纤维直径的增加呈现逐渐下降的趋势,同时纤维直径的增加可大幅提升复合驱动膜的拉伸应力;另外,随着纳米纤维直径从180 nm增加至390 nm,复合驱动膜的形变角度逐渐变小,且当复合驱动膜中纳米纤维直径为180 nm,SiO 2粉体粒径为15 nm时,制备的复合驱动膜具有最佳的驱动性能,在0.7 s左右即可达到180°的最大弯曲角度。基于该PVA-co-PE/SiO 2复合驱动膜快速的刺激响应性、大尺度的弯曲形变能力,其在智能操控、人工肌肉以及智能服装领域中具有较好的应用前景。

牛仔洗水处理对PTT纤维结构和力学性能的影响

对聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)短纤维进行4种洗水工艺处理,并对处理前后的纤维通过电子单纤维强力仪、红外光谱仪、扫描电子显微镜进行力学性能和结构的表征。结果显示:PTT纤维经过4种洗水处理后,纤维的断裂强度和断裂伸长率分别下降,弹性回复率微微下降,纤维的表面均有不同大小的坑穴;红外分析表明经洗水处理后,纤维的结晶度下降,尤其是高锰酸钾处理和双氧水漂洗对纤维力学性能的下降和纤维表面形态的破坏的作用更明显。

染色助剂在棉纤维改性上的研究

对棉织物进行阳离子化改性,优化改性工艺,测试并分析了纤维改性剂用量、染色温度、染色保温时间等对改性棉织物活性染料染色性能的影响。选用的纤维改性剂为反应型无醛固色剂,结果表明:活性染料染色加纤维改性剂能够降低染色需要的盐碱量,该纤维改性剂的最佳染色工艺条件是温度为50℃,固色时间为17min,纤维改性剂用量为0.075%,可减少30%标准盐碱用量。

聚酯/聚酰胺中空橘瓣型超细纤维非织造材料的孔径预测

为探究超细纤维非织造材料孔径的可预测性,通过水刺原纤化技术制备了聚酯(PET)/聚酰胺6(PA6)双组分中空橘瓣型超细纤维非织造材料,在纤维几何形态和材料结构特征研究的基础上构建了孔径预测模型,并对孔径大小与开纤率、纤维线密度的关系进行了理论预测。结果表明:双组分纤维在水刺作用下开裂成超细纤维,且纤维在水平方向相互纠缠排列;受水刺原纤化工艺影响的开纤率是影响孔径分布的主要因素;孔径预测模型的理论值与实验值的对比结果表明孔径预测模型可以用来预测PET/PA6双组分中空橘瓣型超细纤维非织造材料的孔径分布。

静电纺聚丙烯腈/硫酸铜纳米纤维膜的制备及其性能

为开发可应用于医疗敷料的铜离子纳米纤维膜,采用静电纺丝技术制备了聚丙烯腈/无水硫酸铜复合纳米纤维膜,探讨了纺丝液质量分数及黏度、导电率对纺丝过程和纤维外观形貌的影响,并对其所含元素及纤维粒径分布进行测试表征。结果表明:铜离子存在于纳米纤维膜中;在设定的纺丝工艺参数下,当纺丝液中聚丙烯腈的质量分数增加时,溶液黏度随之增加,纤维直径逐渐变大;当纺丝液中无水硫酸铜的质量分数增加时,溶液导电率随之增加,纤维直径先变小后变大,且易出现纤维粗细不匀及串珠现象;当纺丝液中聚丙烯腈与无水硫酸铜质量比为8∶3时,纤维的外观形貌最好,且直径在300 nm左右。