7-5 智能高分子纺织品在线视频

同学们好

欢迎来到高分子合成材料学课程

我是第七章智能高分子合成材料

主讲老师戎宏盼

这一节我们一起来学习智能纺织品

提到纺织品

人们第一想到的应该就是各式各样的服装了

智能纺织品是传统的纺织服装技术与材料科学

结构机理

传感技术和先进的加工工艺

通讯技术

人工智能

生物技术的有机结合

主要产品有信息服装

数字服装

智能文胸

保健服装

灭蚊服装

情感服装

军用帐篷

还有自动清洁织物和自动修补织物等

人类社会中服装的第一功能是保暖以及遮羞

针对智能纺织品的不同反应类型

可将其分为三类

被动智能型纺织品

主动智能型纺织品

和非常智能型纺织品

被动智能型纺织品对外界的刺激

仅可做到感知

以隔热外套为例

不论外面的温度是炎热还是寒冷

此类衣物只可保持它的“保暖”功能不变

主动智能型纺织品

对外界的刺激不仅可做到感知

还能做到回应

形状记忆类纺织品就是最好的例子

非常智能型纺织品对外界的刺激

不仅可做到感知及回应

还能自动调节以适应外界的刺激

目前

已开发出许多

用于个人热量管理的技术纺织品类型和品牌

例如哥伦比亚的Omni-heat

杜邦的CoolMax

Nike的AeroReact

Yonex的Very-cool

阿迪达斯的For-Motion等

它们的设计旨在通过材料创新

纤维工程

先进的表面处理技术

设计新的结构等多种途径

提供改善的人体热舒适性

例如

CoolMax利用独特的四通道形状纤维

来增强水分子从人体

到周围环境的运输

AeroReact是一种对

湿度敏感的纺织品

通过改变其孔径可以改变透气性

Verycool通过在其织物中使用木糖醇

为人体提供凉爽的感觉

Omni-heat

是利用纺织品内部的小银点

反射人体热量

ForMotion

由于在运动特定的身体部位

特别使用了压缩织物

因此能够帮助人体控制

并增强肌肉活动

在全球变暖的大背景下

通过实现局部的个人制冷来实现节能

可节省大量能源

由于现有的服装材料如棉布

丝绸

皮革

化纤等

几乎会吸收所有的红外光

导致了辐射屏蔽效应

因此

需要开发能够透过中红外波段光的新材料

让来自人体的热辐射绕过纺织品

直接到达环境中

实现降温

2016年

斯坦福大学崔屹教授等人

发现纳米多孔聚乙烯(nanoPE)

对中红外人体辐射透明

但由于其孔径分布在50-1000纳米

正好位于可见光波长范围

因而对可见光不透明

然而由于在透气性

吸水率

和机械强度方面的性能差

nanoPE

需要经过进一步加工才能用于纺织品

通过与聚多巴胺PDA和棉布复合

可以极大的改善nanoPE的透气性

水蒸气透过率

芯吸距离和机械强度

据此他们开发了一种模拟皮肤温度的设备

该设备在用nanoPE布

和经过处理的nanoPE布覆盖时

其温度分别比用棉覆盖时

低2.7℃和2.0℃

因此这种加工的nanoPE

是用于个人热管理的有效

且可扩展的纺织品

在此基础上

2017年

崔屹教授课题组发明了一种神奇的布料

不需要任何外界能量输入

只需厚度为几十微米的薄薄一层

就可以调节人体向外辐射热量的多少

正面穿时

可以最大限度减少人体对外的热辐射

实现体表保温

反面穿时

最大限度增加人体对外辐射

可以帮助人体散热

简单的说就是正穿保暖

反穿降温

他们利用的原理

其实就是控制辐射量

而辐射量的高低

主要取决于材料的辐射率

辐射率是一个物体表面的固有属性

当辐射率高时

辐射出的能量就多

而辐射率低时

通过热辐射带走的能量就少

因此

如果可以控制辐射率

让它在需要放热的时候变高

需要降温的时候变低

就可以改变人体对外辐射热量的多少

进而实现衣物帮助人体保温还是散热的调控

崔屹教授团队发明的这种布料

利用的就是辐射率决定辐射量

而辐射量决定体表是升温还是降温的原理

该布料总共由三种纳米材料构成

上下两层为对红外波段的热辐射几乎透明的

纳米聚乙烯基底

在两层纳米聚乙烯中间

加着一个由辐射率超高的碳薄层

和辐射率超低的铜薄层组成的

双层辐射体

辐射率的理论上限为1

在双层辐射体中

碳层的辐射率高达0.9

意味着当它朝外时

辐射散失的热量会大于体内的产热

从而导致体表温度的下降

而铜层的辐射率则只有0.3

因此当这一层朝外时

辐射散失的热量会小于体内的产热

从而起到比常规织物好得多的保温效果

2018年

崔屹教授团队发明的这种布料达到了量产

2020年10月

崔屹教授在其个人LinkedIn主页发文

他旗下的EEnotech公司

推出第一代限量版保温夹克

该夹克具有超薄 超轻

防风 防雨

两级保暖等特性

据了解

这款男女皆宜的双面夹克

可以提供出色的保暖性和厚实的针织感

厚度仅为0.5毫米

最薄可达0.3毫米

但比常规的轻质夹克保暖40％以上

可在10℃的环境中为人们提供舒适感

其中银色面外穿保暖

冷黑色面外穿降温

采用的正是崔屹教授团队

2017年研发的智能控温布料的研究成果

可以实现全天候保持身体舒适

从实验室到货架仅用了三年时间

这就是崔教授朋友圈晒的

在4℃的斯坦福

穿着这种限量版夹克拍的照

大家都知道

目前美国新冠疫情严重

最后一张图

就是崔屹教授戴着他和诺奖得主

美国前能源部部长朱棣文教授共同创办的

4C Air公司生产的口罩

据称这是史上透气性最好

且过滤效果高达95％的纳米口罩

用的是静电纺丝技术制备的

聚丙烯腈纳米纤维滤膜

为什么是和朱棣文教授一起创办的公司呢

我们知道

他们发明的纳米纤维膜

对pm2.5的过滤效果很好

那其背后的科学原理是什么呢

背后的原理正是朱棣文教授

获得1997年诺贝尔物理学奖的理论基础

利用电场梯度把原子抓住 冷冻

采用静电纺丝技术生产的纳米纤维直径很小

只有人头发丝的千分之一左右

且带有静电

静电场梯度很长

在电场的作用下

表面带静电的纳米纤维

对细微颗粒物具有很强的吸附作用

可以完全捕获不带电的pm2.5颗粒

将其牢牢吸附在纳米纤维膜的表面

同时纳米纤维滤膜很薄

且孔隙率很高

因而具有优越的透气性能

智能织物不仅体现在个人热管理方面

2014年

日本移动运营商NTT DoCoMo

和材料开发商东丽公司公布了一项合作成果

Hitoe纳米纤维材质的服装

织物采用东丽公司开发的

涂有传感材料的纳米纤维

通过粘在上面的贴片来检测穿着者的

血压 心率

并且能无缝将数据传输到手机的健康应用上

这种织物的特点是轻巧 柔软

富有弹力

还可以机洗

它们使用的纤维是直径为700纳米的

涤纶纳米纤维

由于纳米纤维的纤维孔隙较多

空隙中充满的导电分子

就形成了树脂的连续层

该材料在与肌肤紧密接触后

可灵敏检测出人体的多项生理指标

从产品使用的持久性来看

由于树脂不易剥离

使得纤维具有耐洗涤的特性

在他们的宣传网站上他们宣称这种智能服装

既可以用于家庭体检

又可以用于术后观察

颜色对于纺织品来说具有不可替代的作用

江南大学王潮霞教授和

德克萨斯农工大学方磊教授合作

报道了同时具有热质变色

和热质荧光"开启"双功能的

热敏染料系统

及其在涤纶织物中的应用

该材料是一种复合染料纳米颗粒

通过正硅酸四乙酯缩水聚合的方式

在形成的二氧化硅纳米颗粒中

包裹双吲哚并喹吖二酮有机染料分子

和脂肪醇获得

该染料系统的双输出响应性能

取决于有机染料分子的溶剂调节

解离 聚集机制

采用高温高压染色法

该染料系统

在涤纶织物上实现了染色

并保留了染色系统原有的性能

在加热后

染料系统和染色的织物均以实时

高度可逆的方式呈现出清晰的颜色变化

和高对比度的"开启"荧光

在可见光下

由深紫色变为橘红色

紫外光下

由暗淡的无荧光状态

突变为发射强烈的金黄色荧光

此外

该染料系统的热响应温度

可以通过改变具有不同熔点的脂肪醇溶剂

实现可控调节

此外

智能纺织品在防护衣

和战衣领域也有应用

美国研制的新型智能防护衣

在被划破之后

会自动发出报警信号

可以更好的保障在放射性

有毒环境中

工作人员的安全

智能战衣里编织了光纤和导电聚合物网络

并有监察士兵身体状况的微型测量系统

在肚脐位置有拾音器

腰部有微型无线电收发芯片

当士兵受伤时

伤处的光纤和导电纤维被切断

显示出受伤部位

拾音器则分析受打击声音信号

判断是刀伤还是枪伤

这些信息传到救护中心后

医护人员向智能内衣发出询问信号

内衣利用

光纤网络测量流出

血液的光谱

探知血中含氧量

判断是否心脏或动脉出血

这样当救护人员接到伤员时

无需再详细检查

便可直接有目的的展开抢救

好

关于智能高分子合成材料

我们就讲到这里

同学们再见