生物大分子课题组之《生物大分子》:自发热丝绸织物面料

发布时间:2020-04-02 

 

       在寒冷的冬季,现代人不再单纯地追求保暖,而是更加注重在保暖的同时满足轻薄、舒适、美观的需求。于是自发热纤维织物应运而生,它能主动产生热量,实现快速升温和持续保温,这与传统厚重的棉衣、羽绒服等通过隔热来被动控制热对流和热传导以防止热量损失完全不同。但是,目前问世的自发热纤维织物大多来自合成纤维,缺乏天然纤维,特别是丝绸舒适透气,光滑亲肤的感觉,而且因为其中添加的功能粒子,使织物颜色变得很深,因此缺乏亲肤性、舒适性和美观度。

       生物大分子课题组多年来一种致力于高性能、功能化再生丝蛋白纤维的研制,最近他们成功研制成功了一种接近无色的自发热丝绸织物面料,将来有望让人们在冬季也能穿上轻薄、舒适、保暖并且色彩缤纷的丝绸衣服。

       为克服纳米颗粒通常很难均匀分散在纺丝液中的难点,他们首先采用丝蛋白分子作为生物模板,在再生丝蛋白溶液中原位合成了可分散在其中并且具有强烈近红外吸收的硫化铜纳米颗粒,然后再将其加入到再生丝蛋白纺丝液中进行湿法纺丝,成功制备了再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维。该杂化纤维力学性能良好,硫化铜纳米粒子还起到了一定的增韧作用(图1A),因此完全可以用来进行加捻和编织织物(图1B)。再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维束在近红外光的照射具有显著的光热转化性能(图1C),仅含100 ppm硫化铜纳米颗粒的再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维束(RC-100)能在3 分钟内升温18.5ºC(图1D)。此外,再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维束在反复的超声洗涤实验中表现出良好的稳定性,升温性能在第一次洗涤后能够保持基本稳定(图1E)。

                                

图1. (A) 再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维的力学性能;(B) 再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维束的光学照片;(C) 近红外光下光热转换实验示意图;(D) 再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维束的光热转换性能;(E) 再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维束的超声洗涤稳定性

       再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维加捻编织成织物后,与纯再生丝蛋白纤维织物相比没有明显的颜色变化(图2A),将该织物置于模拟太阳光下进行照射,同时利用红外成像仪观测其表面温度的变化。图2B是纯再生丝蛋白纤维织物和再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维织物在模拟太阳光照射下的升温曲线,图2C-E是在模拟太阳光照射不同时间下的红外图像。结合红外图像和升温曲线可以发现,在模拟太阳光照射前,两种织物的初始温度没有差别,均为26ºC。在模拟太阳光照射下,再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维织物迅速升温,在经过1分钟平均温度升到35ºC,经过3分半钟升到了40ºC;而纯再生丝蛋白纤维织物在相应时间分别只有32ºC和34ºC,远低于再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维织物。

                              

图2. (A) 纯再生丝蛋白纤维织物(左)和再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维织物(右)的实物照片;(B) 纯再生丝蛋白纤维织物和再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维织物在模拟太阳光照射下的升温曲线;(C-E) 纯再生丝蛋白纤维织物和再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维织物在模拟太阳光照射下的红外图像:(C) 初始时刻,(D) 1分钟后,(E) 3分半钟后

       此外,他们还成功地将加捻后的再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维通过十字刺绣的方式在棉质布料上绣制图案,证明了其与其他纤维混纺的可能性。图3是绣制的楷体汉字“丝”,利用与上述相同的方法观测其在模拟太阳光照射下刺绣织物表面的红外成像情况。从中可以看出在模拟太阳光下,再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维绣制的“丝”字区域比周围棉质基底有明显的升温现象,并且红外图像中“丝”字轮廓清晰,分辨率很高。

                               

图3. 在棉质布料上用再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维刺绣上“丝”字后织物的 (A) 实物照片和 (B-D) 在模拟太阳光照射下的红外图像:(C) 初始时刻,(D) 10秒后,(E) 200秒后

       综上所述,生物大分子课题组采用湿法纺丝制备的再生丝蛋白/硫化铜杂化纤维能够满足织物所需的力学性能,色淡可染,并可吸收太阳光能量进行光热转化,在自发热织物领域具有广阔的应用前景。

       论文以“Colorless Silk/Copper Sulfide Hybrid Fiber and Fabric with Spontaneous Heating Property under Sunlight”为题在线发表在美国化学会杂志Biomacromolecules(DOI: 10.1021/acs.biomac.0c00170)上。论文的第一作者为硕士研究生王海鹏,通讯作者为陈新教授和来自中原工学院纺织学院的访问学者马季玫教授,共同作者为邵正中教授、姚晋荣副教授和董庆林博士。该工作得到了国家自然科学基金的支持。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.biomac.0c00170
https://dx.doi.org/10.1021/acs.biomac.0c00170