智能纤维能够对外部刺激（如热、电、机械和湿度）做出实时多功能响应，并提供电磁干扰屏蔽以及能量存储/转换功能，是可穿戴电子产品和智能纺织品的基本组成单元。可穿戴电子产品和智能纺织品作为一种新型通信平台，在医疗保健、工作服、运动服、能源和军事等许多领域有巨大的应用潜力。因此，开发线材或纤维形式的轻质柔性电子设备并将其集成到纺织品中越来越重要。然而，基于生物质材料设计具有智能化以及集成化功能的柔性高强度智能纤维仍然是一个挑战。
日前，华南理工大学轻工科学与工程学院祁海松教授课题组和赣南师范大学李星星教授通过纳米混合策略和简单的湿法纺丝方法，连续大规模地制备了具有高比表面积（413 m2/g）和高孔隙率（85 %）的可生物降解、柔性和高强度（20.8 MPa）的综纤维素纳米纤维/纤维素杂化气凝胶纤维（HCAF，图1）。由HCAF编织的智能纺织品在宽温度范围内表现出优异的自清洁和隔热性能。此外，该工作进一步制备了综纤维素纳米纤维/碳纳米管/纤维素杂化气凝胶纤维（HCCAF），这种纤维多功能、耐洗涤、易制备的优势表明了其能在未来广泛应用于多功能传感、隔热材料等领域。
图1. HCAF和HCCAF纤维气凝胶纺织品的制备示意图
HCAF通过织布机织成的纺织品具有出色的染色性能和疏水功能（图2）。该工作在室温条件下测得HCAF的热导率低至0.048 W/m*K，展现了其优异的隔热性能。与棉织物和过滤物相比，HCAF的隔热性能优势更加明显。此外，该工作将HCAF纺织品放置在热板以及含液氮的铜管上，HCAF纺织品在高温和极低温下均表现出了非常优异的隔热性能。同时，HCAF纺织品在洗涤10个循环后，其隔热性能保持在相对较高的水平，表明HCAF纺织品具有良好的可洗涤性能。总的来说，这些高度多孔的HCAF在极端条件下表现出优异的隔热性能。
图2. 彩色HCAF (a)、HCAF纺织品 (b) 和HCCAFs-1 (c) 纺织品的照片。(d) 具有自清洁性能的HCAF纺织品上的彩色水滴，(e) 放置在人手臂上的不同纺织品，(f) 同一手臂在室温下的红外图像，显示棉纺织品、过滤织物和HCAF纺织品的不同隔热能力。(g-h) 用于检测不同纺织品在高温和低温下的隔热性能的实验装置示意图。(i-j) 不同纺织品在高温和低温下的相应温度变化。(k) 对于不同温度的底板，不同纺织品表面和底板之间的温差 (|ΔT|)。(l) 动态隔热性能测量示意图。HCAF纺织品的台架温度和表面温度由两个热电偶记录。(m) HCAF纺织品的隔热稳定性。(n) HCAF纺织品的隔热机理示意图。
加入导电碳纳米管（CNTs）后，制备的HCCAF纺织品展现出在热管理和其他功能领域的潜在应用（图3）。在施加不同大小的电压后，HCCAF表现出了良好的热稳定性，其温度的升高与施加电压的大小成线性关系。当施加2V的电压50分钟时，HCCAFs-2纺织品表现出良好的热稳定性。因此，HCCAFs-2纺织品具有良好的焦耳加热可靠性和稳定性，这对于涉及热管理的应用非常重要。基于HCCAF优异的热管理性能，HCCAFs纺织品能与热电发电机耦合，实现高效可逆的储能转换或太阳能发电。与不含HCCAFs纺织品的热电发电机相比，HCCAFs纺织品耦合发电机展现出了更高的输出电压、电流及功率，并在10次充放电循环中保持稳定，这也表明了HCCAF纺织品耦合发电机适合于太阳能发电。
图3. (a) HCCAFs-2纺织品在不同工作电压下的温度曲线 (b) HCCAFs纺织品的饱和温度与电压平方的实验数据和线性拟合。(c) HCCAFs-2纺织品从0.5 V到2.5 V的加热循环曲线。(d) HCCAFs-2织物对逐步电压增加/降低的温度响应。(e) HCCAFs-2纺织品在2.0 V下的长期温度-时间曲线。(f) HCCAFs纺织品与热电发电机耦合的示意图。(g-h)空白和HCCAFs耦合的发电机的温度、电压和电流强度。(i) 空白和HCCAFs耦合发电机之间的电压、电流和功率输出。(j) 10次充放电循环中HCCAFs耦合发电机的电压、电流和功率的稳定性。
智能HCCAFs纺织品的多孔结构和优异的导电性能也使其适用于多功能传感和EMI屏蔽的应用。该工作将HCCAFs纺织品连接到人体的不同部位来检测人体运动、生理反应（出汗）和呼吸等过程（图4）。此外，厚度为0.21 mm的HCCAFs-2织物单层可以在8.2-12.4 GHz范围内提供高达32 dB的EMI屏蔽效果，这种纺织品优异的EMI屏蔽性能是由于入射的EMI微波撞击纺织品表面时，小部分微波被反射，而其余部分进入纺织品，由于HCCAFs纺织品的多孔结构和大的界面面积，其在气凝胶纤维中通过孔壁-基质界面多次反射后，它被衰减并作为热量耗散。即具有多孔结构的HCCAFs纺织品的导电性能使其具有优异的EMI屏蔽性能。
图4. (a-d) HCCAFs-2纺织品对膝盖弯曲、手腕弯曲、手指弯曲和呼吸的传感器响应。(e-g) HCCAFs-2纺织品对温度、湿度和水中盐的敏感性 (h-j) HCCAFs-1和HCCAFs-2纺织品的EMI屏蔽效果。(k) HCCAFs纺织品的EMI屏蔽机制示意图。(l) HCCAFs纺织品与其他报道的气凝胶纤维和纺织品的综合性能比较。
该研究团队聚焦在综纤维素的提取和应用方面的研究，通过湿法纺丝工艺将综纤维素纳米纤维分散在纤维素溶液中，制备了可生物降解的柔性纤维素基杂化气凝胶智能纤维。其具有高比表面积和三维多孔网络结构，表现出了优异的隔热和热管理性能。在添加碳纳米管后，材料与热点装置耦合后可以实现稳定可逆的太阳能发电以及电磁屏蔽性能。总的来说，智能多功能气凝胶纤维和纺织品有望应用于自主户外旅行和太空探索。
该研究以“High-performance smart cellulose nanohybrid aerogel fibers as a platform toward multifunctional textiles”为题发表于Chemical Engineering Journal。华南理工大学轻工科学与工程学院博士后陈怡安博士为第一作者，华南理工大学轻工科学与工程学院的祁海松教授和赣南师范大学的李星星教授为共同通讯作者。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143153
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