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[材料资讯] 王树涛课题组提出具有锥形微孔的仿生Janus纺织品

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发表于 4 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式
夏天的高温让人难以忍受,一出门就像置身一个大火炉中,走一会儿路身上就冒汗,衣服也迅速被打湿,湿哒哒的裹在身上,这时候如果有一件衣服能及时把汗排出去,岂不是舒服?
幸运的是,科研人员已经突破了这一问题。近日,中科院理化所王树涛研究员课题组提出了一种疏水性/超亲水性Janus聚酯/硝化纤维素纺织品,该织物嵌入具有亲水性内表面的锥形微孔阵列,可以实现定向液体传输(具有1246%的超高定向水传输能力)并可以保持人体温度(比棉织物高2-3°C),可以快速将汗液从佩戴者的皮肤一侧传输到外部,从而使皮肤产生更干燥、更温暖的感觉。该成果以题为《Bioinspired Janus Textile with Conical Micropores for Human Body Moisture and Thermal Management》的论文发表在材料类顶级期刊《Advanced Materials》上。(见文末原文链接)
纺织品的水分传输特性极大地影响着人体的生理舒适性,这强烈依赖于纺织品的表面润湿性。传统的亲水性纺织品,如棉花,很容易被汗水弄湿,导致湿粘感觉,甚至是过冷的感觉。近年来,研究人员已经做出努力来改善通过纺织品的汗液输送,例如双层疏水/亲水织物。然而,在汗液输送过程中,对热量的散失没有给予太多的关注。因此,迫切需要开发一种新的功能性纺织品,以实现高效的汗液输送和防止不必要的过度寒冷。

仿生Janus纺织品

仿生Janus纺织品


图1.a)传统棉织物和湿润皮肤之间的毛细作用力的示意图。b)受限空间中的不对称液体传输。c)用Janus PE/NC纺织品覆盖人体的汗液输出路径示意图。d)横跨Janus PE/NC纺织品的圆锥形微孔,其设计用于通过不对称曲率输送汗液。e)Janus PE/NC纺织品的示意图。f)制作的16 cm×16 cm JanusPE/NC纺织品的照片(打印字母TIPC-CAS)。g)Janus PE/NC纺织品的SEM图像。

研究人员受自然界中普遍存在的定向水输送现象启发,通过简单的激光穿孔方法,直接烧蚀和改性商用的Janus PE/NCs聚酯/硝化纤维素膜,制备了具有不对称亲水性圆锥形微孔的疏水/超亲Janus聚酯/硝化纤维素织物,用于定向液体传输。这种Janus 聚酯/硝化纤维织物可以通过从大到小的非对称亲水圆锥形微孔(LTS),单向地将过量汗液从疏水层运输到超亲水层,从而避免汗液产生不希望的粘性和过多的冷感。
通过接触角(CA)测量,PE层在空气中表现出明显的疏水性(80.0±1.6°),NC层在空气中表现出明显的超亲水性(≈0°)。从扫描电子显微镜(SEM)图像可以清楚地观察到锥形微孔阵列,通过改变激光功率从10到40W,获得了一系列不同孔径的Janus PE/NC纺织品。Janus PE/NC纺织品中单个微孔的放大SEM图像表明,PE层和NC层中形成的微孔具有不对称的形貌。面向激光的PE层具有大开口,NC层具有小开口。扫描电镜横截面图像显示,微孔呈现出独特的锥形结构。
同时,建立一个简化的物理模型连续滴水以模拟出汗,演示Janus PE/NC纺织品的定向水输送能力。监测了用亚甲基蓝染色的水在Janus PE/NC纺织品的疏水层上的动态传输过程。当水滴接触疏水层时,水可以泵过疏水层和湿润的超亲水层,相反,当Janus PE/NC纺织品翻转并且水滴接触超亲水层时,水滴被阻挡并在超亲水层上扩散,而没有润湿或穿透疏水层。结果表明,Janus PE/NC纺织品能够单向地将液体从疏水层输送到超亲水层。水分管理测试仪(MMT)的结果表明,一旦水接触到疏水层,水就可以迅速从疏水层穿过Janus PE/NC织物,并通过毛细管力和锥形微孔增强扩散到超亲水层。
除了传输性能外,还测试了Janus PE/NC纺织品的耐磨性,包括水蒸气的透过性、湿态下的皮肤粘附性和热管理。首先,Janus PE/NC纺织品具有高的水蒸气透过率(WVTR)(≈0.017 g cm−2 h−1)。其次,Janus PE/NC纺织品由于去除水而具有非常低的皮肤粘附力(≈0 mN cm−2),用Janus PE/NC纺织品覆盖的湿润皮肤由于自发的定向水传输在几秒钟内变干,几乎没有粘着人类皮肤。第三,Janus PE/NC织物出汗后表现出比传统棉织物更好的绝缘性能。用红外线摄像机对皮肤进行成像,显示了棉织物覆盖的区域的温度通常低于Janus PE/NC纺织品覆盖的区域。Janus PE/NC纺织品在潮湿条件下的导热性较低,因此将提供比棉花更温暖的感觉,并可提供更凉爽的感觉。

王树涛中科院理化所研究员,博士生导师,课题组长,入选国家杰青, 国家“万人计划”青年拔尖人才以及“引进国外杰出青年人才计划”。主要从事仿生多尺度粘附可控界面材料的研究,如抗粘附界面材料、高效生物识别粘附界面和器件以及疾病早期诊断等方面的研究。率先提出“结构匹配与分子识别”协同的生物识别粘附效应,并用于癌症检测,比传统细胞分离方法灵敏度提高1000倍,因此获2010年世界科技奖提名。曾获2006年中国重大科学进展,2008年中国科学院优秀博士论文(50篇),2009年全国百篇优秀博士论文提名奖,2013年中国化学会青年化学奖等奖项。发表SCI论文140余篇,其中包括Angew. Chem.(9篇),Adv. Mater.(20篇),JACS (2篇),Nat. Protocol.(1篇) 他引4200余次,H因子39。授权中国专利8项,美国专利2项。并先后在Chemical Review, Chemical Society Review, Annual Review Nano Research, Account of Chemical Research, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Chemistry Review, MRS Bulletin等国际著名杂志发表邀请综述,英文专著3章。研究成果多次被Nature, Nature medicine,Science Daily,Chem&Eng News,Materials Views China,Material Today,Lab Chip等亮点报道。被Nature Chemistry的“The Sceptical Chemist”、Asia-Pacific Biothech News的“People Watch”、China Science Daily等做了人物专访报道。

Janus(古罗马的“双面神”)材料可用于描述在同一介观体系中,具有两种截然不同的组成与物理(或化学)性质的一类材料,通常具有明确分区结构,且具有双重性质如亲水/疏水、极性/非极性,是材料科学的重要研究方向。Janus粒子越小,就越难绘制出它们的表面结构,这不但给制备带来了很大困难,也很难评价它们的应用效果。如何实现纳米Janus材料可控、批量制备以及精确表征是目前研究的热点及难点。利用Janus颗粒改性聚酯织物表面,使其具有拒水性.Janus颗粒的亲水部分与聚酯活性表面结合,Janus颗粒的疏水部分赋予其拒水性.研究了改性聚酯表面的润湿性和表面形态,发现随着Janus颗粒浓度的提高,改性的织物表面显示出较大的水接触角和较小的倾斜角.由表面形态还注意到,Janus颗粒浓度较高时,会像山莓般聚集到改性长丝表面,对织物拒水性有影响.最后,试验证明了Janus颗粒质量分数为20%时对拒水纺织品的设计非常有效.

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