隨著人類社會的發(fā)展與工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，越來越多的外在危險(xiǎn)（如有害化學(xué)物質(zhì)、電磁輻射、靜電和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等）對人類的安全造成威脅，尤其是在工程、救援、軍隊(duì)、戶外探險(xiǎn)和航空航天等高風(fēng)險(xiǎn)領(lǐng)域。開發(fā)具有智能感知和個(gè)人熱管理功能的安全防護(hù)織物，對于在不同復(fù)雜環(huán)境下工作人員的安全保障至關(guān)重要。聚四氟乙烯（PTFE）纖維具有優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性、耐高低溫性、出色的抗污和抗磨損性能，是用于安全防護(hù)織物的理想材料。然而，PTFE具有“難溶難熔”的特性，融化后難以流動(dòng)，并且?guī)缀醪蝗苡谌魏稳軇?。因此，基于PTFE纖維的復(fù)合纖維的制備極為困難，常規(guī)的熔融或溶液紡絲工藝難以生產(chǎn)具有高改性填料負(fù)載的PTFE纖維。
面對這一難題，山東大學(xué)王桂龍教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地開發(fā)了一種基于PTFE原位成纖與碳納米管（CNT）原位復(fù)合改性的工藝，通過靈活的雙螺桿共混及牽引紡絲方法，首次實(shí)現(xiàn)了高導(dǎo)電填料負(fù)載的多孔PTFE復(fù)合纖維連續(xù)化制備，在工業(yè)化生產(chǎn)中具有顯著前景。所制備的PTFE/CNT纖維纖細(xì)靈活、持久耐用，具有卓越的孔隙率、導(dǎo)電性和力學(xué)強(qiáng)度，為個(gè)體在極端環(huán)境下的安全提供了可靠保障。
由于PTFE的獨(dú)特表面特性和疏松的晶體結(jié)構(gòu)，在雙螺桿加工過程中PTFE晶體在剪切力作用下容易纖維化為納米纖維，將熔體擠出后經(jīng)過牽引紡絲再進(jìn)行洗滌，從而在所制備纖維內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了具有PTFE納米纖維和CNT兩者相互纏繞且各自獨(dú)立的雙納米纖維微觀結(jié)構(gòu)。所制備纖維繼承了PTFE和CNT的雙重優(yōu)勢，輕質(zhì)柔軟，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和高低溫使用性。同時(shí)，由于取向排列的高含量CNT以及獨(dú)立的納米纖維結(jié)構(gòu)共同作用，纖維具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，這使所編織的紡織品能夠?qū)崿F(xiàn)更多的防護(hù)性能與智能化應(yīng)用。經(jīng)過測試，該材料的電導(dǎo)率達(dá)到185 S/m，拉伸強(qiáng)度高達(dá)17.3 MPa，且在極端溫度（-150℃到150℃）范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的性能。此外，其高孔隙率（76%）確保了織物的透氣性與輕質(zhì)感，避免使用過程中的不適感。
基于“原位成纖”的PTFE/CNT雙網(wǎng)絡(luò)纖維制備工藝示意圖
PTFE/CNT雙網(wǎng)絡(luò)纖維結(jié)構(gòu)與性能表征
透氣性和防護(hù)性能對于穿戴舒適性和安全性至關(guān)重要。該材料的透氣性表現(xiàn)尤為突出，使得穿戴者在高強(qiáng)度活動(dòng)中依然保持干爽與舒適。織物纖維之間的有效空隙和纖維內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，允許氣體分子自由流動(dòng)，提升了透氣性和濕氣排出能力，確保了在高溫和潮濕環(huán)境下的舒適穿戴體驗(yàn)。該織物的防水和防化學(xué)品性能十分突出，借助PTFE的低表面能和CNT的優(yōu)異化學(xué)惰性，該織物能夠抵御各種液體和化學(xué)腐蝕。實(shí)驗(yàn)表明，該材料在接觸酸堿等強(qiáng)腐蝕性溶液時(shí)，依然保持其結(jié)構(gòu)和功能的完整性。這一特性不僅提高了材料的耐用性，還為從事高風(fēng)險(xiǎn)工作的人員提供了重要的保護(hù)，確保他們在面臨液體濺潑和化學(xué)品暴露時(shí)的安全。此外，CNT的引入顯著提高了織物的電磁屏蔽性能、抗紫外線性能、抗靜電性能。研究結(jié)果顯示，該材料電磁干擾（EMI）屏蔽效能在X波段下達(dá)到29 dB。這一特性為穿戴者在工作和生活中面臨的電磁輻射風(fēng)險(xiǎn)提供了額外的保護(hù)。同時(shí)，該材料紫外線防護(hù)指數(shù)（UPF）高達(dá)3000以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的防曬服標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效阻擋有害的紫外線輻射，保護(hù)皮膚健康。此外，其出色的抗靜電性能在防護(hù)服和工作服中起著關(guān)鍵作用，防止靜電積累造成的意外傷害。
PTFE/CNT纖維織物的透氣防水與多效防護(hù)性能
該紡織品的電熱和光熱轉(zhuǎn)換能力具有重要實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過外加電壓或太陽光照射，該材料能夠快速升溫至130℃以上，確保在寒冷環(huán)境中提供持久的保暖效果。這種高效的熱能管理技術(shù)，尤其適用于戶外工作者、運(yùn)動(dòng)員和軍人等需要在低溫環(huán)境中保持體溫的人群。此外，其導(dǎo)電結(jié)構(gòu)不僅使紡織品能夠快速升溫，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度和機(jī)械變形。通過集成于纖維智能傳感能力，用戶可以監(jiān)控自己的身體活動(dòng)，確保在潛在危險(xiǎn)中及時(shí)做出反應(yīng)。通過在纖維中集成CNT，這種材料能夠有效實(shí)現(xiàn)動(dòng)作與溫度的實(shí)時(shí)感知。當(dāng)使用者進(jìn)行各種動(dòng)作時(shí)，例如彎曲、按壓或拉伸，織物會迅速響應(yīng)，改變其電阻值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該紡織品在不同彎曲角度下的相對電阻變化表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，使其能夠精確地監(jiān)測用戶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在溫度監(jiān)測方面，該材料同樣表現(xiàn)出色。研究發(fā)現(xiàn)，PTFE/CNT纖維的具有負(fù)溫度系數(shù)，能夠精確地感知周圍環(huán)境的溫度變化。當(dāng)溫度升高時(shí)，織物的電阻會隨之改變，能夠用于實(shí)時(shí)監(jiān)測周圍的溫度變化，從而在火災(zāi)等緊急情況下提供早期預(yù)警。這種智能傳感性能的集成使得該紡織品不僅能用作傳統(tǒng)服裝，還能用于智能穿戴設(shè)備，為用戶提供更高的安全性和便利性。
PTFE/CNT纖維織物壓阻傳感性能
PTFE/CNT纖維織物的溫度傳感性能及多功能示意圖
原文鏈接：inktype="text" imgurl="" tab="outerlink" data-linktype="2">https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202416428
面對這一難題，山東大學(xué)王桂龍教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地開發(fā)了一種基于PTFE原位成纖與碳納米管（CNT）原位復(fù)合改性的工藝，通過靈活的雙螺桿共混及牽引紡絲方法，首次實(shí)現(xiàn)了高導(dǎo)電填料負(fù)載的多孔PTFE復(fù)合纖維連續(xù)化制備，在工業(yè)化生產(chǎn)中具有顯著前景。所制備的PTFE/CNT纖維纖細(xì)靈活、持久耐用，具有卓越的孔隙率、導(dǎo)電性和力學(xué)強(qiáng)度，為個(gè)體在極端環(huán)境下的安全提供了可靠保障。
由于PTFE的獨(dú)特表面特性和疏松的晶體結(jié)構(gòu)，在雙螺桿加工過程中PTFE晶體在剪切力作用下容易纖維化為納米纖維，將熔體擠出后經(jīng)過牽引紡絲再進(jìn)行洗滌，從而在所制備纖維內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了具有PTFE納米纖維和CNT兩者相互纏繞且各自獨(dú)立的雙納米纖維微觀結(jié)構(gòu)。所制備纖維繼承了PTFE和CNT的雙重優(yōu)勢，輕質(zhì)柔軟，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和高低溫使用性。同時(shí)，由于取向排列的高含量CNT以及獨(dú)立的納米纖維結(jié)構(gòu)共同作用，纖維具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，這使所編織的紡織品能夠?qū)崿F(xiàn)更多的防護(hù)性能與智能化應(yīng)用。經(jīng)過測試，該材料的電導(dǎo)率達(dá)到185 S/m，拉伸強(qiáng)度高達(dá)17.3 MPa，且在極端溫度（-150℃到150℃）范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的性能。此外，其高孔隙率（76%）確保了織物的透氣性與輕質(zhì)感，避免使用過程中的不適感。
基于“原位成纖”的PTFE/CNT雙網(wǎng)絡(luò)纖維制備工藝示意圖
PTFE/CNT雙網(wǎng)絡(luò)纖維結(jié)構(gòu)與性能表征
透氣性和防護(hù)性能對于穿戴舒適性和安全性至關(guān)重要。該材料的透氣性表現(xiàn)尤為突出，使得穿戴者在高強(qiáng)度活動(dòng)中依然保持干爽與舒適。織物纖維之間的有效空隙和纖維內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，允許氣體分子自由流動(dòng)，提升了透氣性和濕氣排出能力，確保了在高溫和潮濕環(huán)境下的舒適穿戴體驗(yàn)。該織物的防水和防化學(xué)品性能十分突出，借助PTFE的低表面能和CNT的優(yōu)異化學(xué)惰性，該織物能夠抵御各種液體和化學(xué)腐蝕。實(shí)驗(yàn)表明，該材料在接觸酸堿等強(qiáng)腐蝕性溶液時(shí)，依然保持其結(jié)構(gòu)和功能的完整性。這一特性不僅提高了材料的耐用性，還為從事高風(fēng)險(xiǎn)工作的人員提供了重要的保護(hù)，確保他們在面臨液體濺潑和化學(xué)品暴露時(shí)的安全。此外，CNT的引入顯著提高了織物的電磁屏蔽性能、抗紫外線性能、抗靜電性能。研究結(jié)果顯示，該材料電磁干擾（EMI）屏蔽效能在X波段下達(dá)到29 dB。這一特性為穿戴者在工作和生活中面臨的電磁輻射風(fēng)險(xiǎn)提供了額外的保護(hù)。同時(shí)，該材料紫外線防護(hù)指數(shù)（UPF）高達(dá)3000以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的防曬服標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效阻擋有害的紫外線輻射，保護(hù)皮膚健康。此外，其出色的抗靜電性能在防護(hù)服和工作服中起著關(guān)鍵作用，防止靜電積累造成的意外傷害。
PTFE/CNT纖維織物的透氣防水與多效防護(hù)性能
該紡織品的電熱和光熱轉(zhuǎn)換能力具有重要實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過外加電壓或太陽光照射，該材料能夠快速升溫至130℃以上，確保在寒冷環(huán)境中提供持久的保暖效果。這種高效的熱能管理技術(shù)，尤其適用于戶外工作者、運(yùn)動(dòng)員和軍人等需要在低溫環(huán)境中保持體溫的人群。此外，其導(dǎo)電結(jié)構(gòu)不僅使紡織品能夠快速升溫，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度和機(jī)械變形。通過集成于纖維智能傳感能力，用戶可以監(jiān)控自己的身體活動(dòng)，確保在潛在危險(xiǎn)中及時(shí)做出反應(yīng)。通過在纖維中集成CNT，這種材料能夠有效實(shí)現(xiàn)動(dòng)作與溫度的實(shí)時(shí)感知。當(dāng)使用者進(jìn)行各種動(dòng)作時(shí)，例如彎曲、按壓或拉伸，織物會迅速響應(yīng)，改變其電阻值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該紡織品在不同彎曲角度下的相對電阻變化表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，使其能夠精確地監(jiān)測用戶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在溫度監(jiān)測方面，該材料同樣表現(xiàn)出色。研究發(fā)現(xiàn)，PTFE/CNT纖維的具有負(fù)溫度系數(shù)，能夠精確地感知周圍環(huán)境的溫度變化。當(dāng)溫度升高時(shí)，織物的電阻會隨之改變，能夠用于實(shí)時(shí)監(jiān)測周圍的溫度變化，從而在火災(zāi)等緊急情況下提供早期預(yù)警。這種智能傳感性能的集成使得該紡織品不僅能用作傳統(tǒng)服裝，還能用于智能穿戴設(shè)備，為用戶提供更高的安全性和便利性。
PTFE/CNT纖維織物壓阻傳感性能
PTFE/CNT纖維織物的溫度傳感性能及多功能示意圖
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