技术进步和人口增长对先进材料产生了迫切的需求，先进材料在智能产品制造中的利用正在成为工程重点。智能纺织品，如相变纤维，能够感知和响应用户或环境而被广泛使用。固-固相变材料在防止泄漏和确保纺织品安全使用方面具有更大的潜力。相变材料和纳米纤维的结合为制造智能纺织品提供了一种简单的方法。静电纺丝作为一种简便的纳米纤维材料制备方法，通常用于制造非织造纳米纤维膜，这限制了其应用。

近日，信州大学朱春红教授团队在期刊《Journal of Energy Storage》上，发表了最新研究成果“A facile method for continuous production of temperature-adaptive hyperthermal management core-sheath polyurethane nanofiber yarns based on vanadium dioxide toward commercialization”。研究者提出了一种连续生产高强度静电纺丝纳米纤维包覆纱线的新简便机制。通过精心设计改良的静电纺丝工艺，制备出具有芯鞘结构的纳米纤维纱线，可直接用于商业化的织物编织。掺杂相变温度接近室温的固-固相变材料（PCM）二氧化钒（VO₂）后，得到具有高温管理能力的智能纳米纤维包覆纱线，可以在涤纶织物上缝制图案，并用于服装和窗帘等纺织品，有助于减少热调节所消耗的巨大能源。

所提出的聚氨酯纳米纤维包覆纱线具有芯鞘结构，以市售聚酯纱线为芯，静电纺PU纳米纤维为鞘（图1a）。研究团队设计制造了合适的静电纺丝装置（图 1 b）。通过控制纺丝参数（包括纺丝电压、溶液流速和纺丝距离）的严格调整，实现了最佳的纳米纤维直径510 nm。

图1：PU纳米纤维包覆纱的制造和形态。

在接下来的工作中，在纳米纤维纱线上添加了一种相变材料，用于智能纺织品。在纺丝溶液中添加不同质量分数的VO₂粉末，以最佳纺丝参数制备不同质量分数的温度相变纳米纤维包覆纱(VO₂-NFCY)。

图2：VO₂-NFCY的形态表征。

从图2可以看出，VO₂粉末在所有浓度下广泛存在于VO₂ -NFCY的纳米纤维鞘层中。在纱线的整个长度上，VO₂粉末的分布相对均匀，尽管发生了一定程度的团聚。随着VO₂粉末含量的增加，纱线直径呈增大趋势，在20 wt%时达到最大值266.12 μm；但与未添加VO₂粉末的纱线相比，纱线直径仍然较细。

图3：VO₂-NFCY的相变性能及不同温度下红外反射率比较。

VO₂从单斜半导体态转变为四方金属态时发生吸热反应。通过DSC 曲线中是否存在吸热放热峰来验证该相变。如图3所示，在加热过程中和冷却过程中，添加VO₂粉末后的样品在66.8~67.3℃和63.6~63.9℃发生相变，受益于VO₂粉末的固-固相变特性，加热和冷却时相变焓没有显着差异。同时，多次循环测试后相变温度和相变焓基本保持不变，证明纱线具有足够的耐用性。ATR-FTIR光谱表明，在高于相变温度的情况下，添加VO₂粉末的样品与未添加VO₂粉末的样品获得的反射率曲线存在显着差异，VO₂-NFCY可以在相变温度之上和之下产生红外反射率的变化，在温度自适应材料中具有良好的应用前景。

图4：VO₂-NFCY和VO₂-NFCY织物的热性能比较。

为了测试VO₂ -NFCY的实际应用，研究团队将20wt%的VO₂ -NFCY缝织成织物在商用聚酯布的表面。尽管添加了 VO₂粉末，但并未对纺织操作产生负面影响，并且能够轻松完成。将织物放置在加热板上并进行热成像以捕捉从室温到200°C的加热过程（图4）。温差直方图表明VO₂粉末可以有效地减少整个加热过程中的传热，最多可降低19℃。热图像所示，即使在高温下，织物也包含较冷的区域，这表明在纳米纤维纱线中掺入适量的VO₂粉末可以有效地阻止热传递。

综上所述，采用该方法制备的纳米纤维包覆纱以及具有相变能力的纳米纤维包覆纱在温度自适应高温管理纺织品中具有广阔的应用前景。此外，所开发的连续纳米纤维包覆纱线制造技术是生产其他智能材料的一种有前途的方法。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X2400896X