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    一場秋雨一場寒,隨著最近幾天接連不斷的降雨,秋天微涼的感覺也在逐漸靠近。怕冷的朋友們或許已經開始考慮把壓箱底許久的羊毛衫穿出來保暖了。每逢季節交替,我們總是要這樣子更新一下我們的衣柜。從科學的角度上來講,這是由于我們的核心溫度對于外界氣溫和濕度十分敏感。為了讓機體的正常運轉,我們不得不針對不同條件(外界氣溫的變化、是否大量運動等)更換不同的衣服,以保證我們皮膚能夠通過熱傳導、熱對流、熱輻射和汗液蒸發的方式保證體溫的恒定。
    為了能讓人穿著更舒服,基于相變材料、紅外響應材料和濕度控制材料等的織物被開發出來,然而能同時實現對寒冷和炎熱環境響應的織物仍然十分少見。目前最有希望解決上述問題的材料之一是形狀記憶材料(SMM)。盡管從上世紀90年代開始就逐漸有相關研究出現,但是這些方案往往都存在諸如高成本、不適合大面積生產、機械性能差、有毒等缺陷。究其原因,一般都是由于使用了高成本的材料或是加工工藝復雜。

    近些年來,羊毛的水驅動形狀記憶特性受到了廣泛關注。這一特性來源于構成羊毛的角蛋白的α-螺旋/β-折疊的轉變?;谏鲜鎏匦?,香港城市大學胡金蓮教授課題組發明了可用于溫度調節羊毛織物制備的針織工藝。在液體環境中(出汗),羊毛紗線會明顯變細,大幅提高織物孔隙率,提高散熱能力;當織物變干后,紗線又會回復初始形狀。這使得羊毛衫具有了反常的涼爽特性,使其具有全天候使用的能力。同時該工藝能有效提高羊毛織物形狀記憶特性對水的響應速度、響應程度和循環穩定性,使其能更好地用于日常生活中。上述成果以“Wool Can Be Cool: Water-Actuating Woolen Knitwear for Both Hot and Cold”為題發表于Advanced Functional Materials。



    圖 1 形狀記憶羊毛織物的溫度調控特性及原理


    圖 2 紗線的雙向形狀記憶能力

    一般而言,紡織物都具有多層級的結構。多根纖維首先卷繞形成紗線,紗線再經過紡織形成織物。由于羊毛表面的鱗片具有防水的作用,研究人員首先通過氯化處理去除羊毛表面的鱗片,再進一步紡紗、制備針織物。羊毛纖維的形狀記憶特性是實現織物熱管理的核心。在吸水時羊毛會變細、變長、伸展;在脫水后羊毛會恢復到較粗、較短、卷繞的狀態(圖1)。經過處理的羊毛纖維不僅在水中,而且在人工汗液(微酸性)環境中都具有更明顯、更快的形狀記憶反應,并且這一特性雙向性的,能夠多次重復(圖2)。

    2. 水驅動的織物孔隙變化


    圖 3 羊毛纖維形狀記憶特性控制的織物形貌變化

    由于羊毛的上述形狀記憶行為,經過理論設計,具有特定卷繞方式的紗線在吸水或脫水時也會表現出類似的行為,并引發針織物結構的變化。吸水后變細、變長的紗線會讓織物的孔隙打開,在干燥后又會閉合,且上述行為在50次循環實驗中保持穩定。另一重要特性是孔隙的開放率是隨著吸水量增高而逐漸增高的,這使其散熱能力具有了更好的控制性。

    3. 織物的溫度調控性能


    圖 4 織物散熱性能表征

    人體散熱主要通過熱傳導、熱對流、熱輻射和蒸發四種方式,上述四種方式在人體散熱中所占比例分別為5、15、20、60%。通過表征織物的空氣透過率、導熱系數、水氣透過率和紅外透光率可以分別說明織物對上述四種散熱方式效率的影響。研究結果表明在吸水后,織物的空氣透過率和導熱系數都有明顯提升;不論溫度和濕度,織物的水氣透過率都在吸水后提升;織物對紅外線的透過率也有提升。因而織物總的散熱效率在吸水后會明顯比干燥時的要高。
    總結
    利用羊毛水驅動形狀記憶的特性,研究人員把原本保暖防寒的羊毛織物改造成了適合全天候穿著的織物。通過紡織工藝,羊毛吸水變細、變長的特性被用于讓織物孔隙變大,提高織物的散熱性能。這一特性使得織物能夠“感應”人體汗液的變化,從而控制衣物散熱效率,保持人體溫較為恒定,其制備工藝也完全與目前的紡織工藝兼容?;蛟S很快我們就可以穿上一件四季通用的羊毛衫了。





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