與聚合物合成纖維相比，天然動(dòng)物絲纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能以及良好的光澤、透氣性和透濕性。然而，功能蠶絲纖維和織物的連續化生產(chǎn)中仍然有很多問(wèn)題亟需解決。這項新發(fā)表的研究將成熟的紗線(xiàn)紡紗技術(shù)和簡(jiǎn)單的浸涂技術(shù)相結合，通過(guò)建立理論模型優(yōu)化相關(guān)生產(chǎn)參數，達到不同種類(lèi)表面涂層的均勻性的提升，最終獲得高性能TCSs的連續生產(chǎn)(>10 km)。在連續化紡絲過(guò)程中，研究人員還利用溶劑對蠶絲表面進(jìn)行可控部分溶解，來(lái)增強熱致變色涂料與蠶絲纖維的界面結合作用，提升復合纖維的界面穩定性，保持了原始絲纖維的主體結構和本身優(yōu)異的力學(xué)性能（圖1）。最后，本研究中利用這類(lèi)功能紗線(xiàn)，展示了一系列實(shí)際應用場(chǎng)景，為功能化蠶絲纖維的生產(chǎn)制備和應用，提供了切實(shí)可行的參考建議。
圖1 | 連續化生產(chǎn)TCSs的裝置示意圖（a）；TCSs結構示意圖（b）；連續生產(chǎn)收集的不同顏色TCSs (c)以及其表面均勻形貌顯微圖像(d)。
蠶絲纖維快速通過(guò)不同種類(lèi)涂料過(guò)程中，表面易發(fā)生瑞利不穩定性，導致涂覆不均勻（圖2a）。研究中建立了相關(guān)的理論模型來(lái)優(yōu)化工藝參數，包括涂料粘度和表面張力及紡絲速度。根據Landau–Levich–Derjaguin 理論，在連續涂覆過(guò)程中形成的涂料層厚度e0可以基于已知纖維直徑(b)時(shí)的毛細管數Ca值預測（階段?。?。連續涂覆過(guò)程中，纖維表面形成膜層后，由于Plateau-Rayleigh不穩定性，液體表面張力使液體自由表面積最小化，膜層逐漸發(fā)展成波形，甚至分裂成規則間隔的液滴(階段ⅱ)。當階段ⅱ的液體表面能大于階段ⅰ均勻液體涂層的表面能時(shí)，推導出防止不穩定發(fā)生的臨界條件。研究人員制備了一系列具有不同物理性質(zhì)的液體涂料，記錄了不同膜層的形態(tài)演變過(guò)程。如圖2b所示，理論模型準確預測了產(chǎn)生均勻涂層所需的紡絲條件:當e0/b小于臨界值時(shí)，實(shí)驗所獲得的纖維表面涂層是均勻穩定的；當e0/b大于臨界值時(shí)，涂層從均勻膜轉變?yōu)殚g隔液滴。
圖2 | 涂料在蠶絲纖維表面連續涂覆過(guò)程因瑞利不穩定性產(chǎn)生不均勻結構（a）；纖維涂層厚度相對纖維直徑(e0/b)隨毛細管數Ca的變化（b）
參數優(yōu)化后，連續制備出的功能蠶絲纖維的強度、韌性及剛度與天然蠶絲相當，并保持了一定的彈性?？赏ㄟ^(guò)自動(dòng)刺繡機將TCS紗線(xiàn)縫紉在各類(lèi)織物上（圖3）。功能織物在洗衣機清洗后保持穩定。本研究中采用的功能涂層為熱致變色涂料，因此所制備的織物可響應環(huán)境溫度變化而發(fā)生顏色變化。如一種TCS的熱致變色溫度為28℃，可以靈敏感應手指的靠近（圖4a）。不同顏色和不同變色溫度的熱響應織物，可適應多種應用場(chǎng)景。如實(shí)現不同溫度下變色的體溫調節衣物（圖4b）。
圖3 | 使用商業(yè)繡花機加工圖案化TCS織物。
圖4 | CSs感應人體溫度變化，或通過(guò)改變服裝顏色實(shí)現體溫調節功能。
此外，TCSs還可以通過(guò)電來(lái)控制變色，原理基于導電纖維在導電過(guò)程中的熱阻效應。借鑒了紡織工藝中的包覆紗生產(chǎn)技術(shù)，先連續制備出包纏結構的TCSs/碳纖維復合紗線(xiàn)。實(shí)現調節通過(guò)芯層碳纖維的電流強度來(lái)調控殼層TCSs顯示的顏色。利用這種復合紗線(xiàn)，可與外電路連接構建數字顯示織物，或在智慧服裝上實(shí)現多功能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。（圖5）
圖5 | 基于TCS/碳纖維電控變色復合紗線(xiàn)的智能可穿戴動(dòng)態(tài)顯示織物。
本論文的第一作者為上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院2019級研究生王洋和凌盛杰教授課題組助理研究員任婧，通訊作者為凌盛杰教授。上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院合肥科學(xué)中心卓越用戶(hù)計劃、化學(xué)纖維與高分子材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗室以及上科大啟動(dòng)資金等的支持。另外，課題在開(kāi)展過(guò)程中，上科大物質(zhì)學(xué)院分析測試平臺和電鏡中心、上海同步輻射光源、上海蛋白質(zhì)科學(xué)研究中心以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥國家同步輻射實(shí)驗室在材料表征方面提供了大力支持。
