东华新闻
当前位置:首页  最新动态  东华新闻
我校王宏志教授团队在智能纤维领域取得突破首次实现超长电致变色纤维的连续化制备
发布人:朱玥桦  发布时间:2020-06-24   浏览次数:10

彩色纤维作为织物和服装的基本构成单元,广泛应用于日常生活中。工业上通过染整技术连续化制备上千米的彩色纤维,从而实现彩色纤维的大规模商业应用。近些年,随着可穿戴电子产品的日益普及和智能服装概念的兴起,开发智能变色纤维,并将其应用在可穿戴显示、视觉传感和自适应伪装等领域,受到越来越多的关注。然而,在现有染整工艺中,染色后的纤维颜色无法可控地改变,导致智能变色纤维的连续化制备难度极大,也因此限制了彩色纤维的应用。

电致变色具有可控性高、能耗低、材料种类和颜色变化丰富等优点,因此为实现智能变色提供了一个很好的策略。但是,将电致变色纤维器件进一步推向产业应用仍面临巨大挑战。首先,由于复杂的器件结构和不成熟的连续加工技术,电致变色纤维只能在实验室手工制作,这导致纤维长度有限(约10cm),无法满足工业需求。其次,随着电致变色纤维长度的增加,电子转移/离子扩散距离增加,变色时间增长,难于保证均匀的颜色变化。第三,电致变色纤维中的电解质和其他活性层缺乏有效的保护,不利于长期的实际使用。因此开发普适的制备方法,构建基于不同电致变色材料的电致变色纤维,实现丰富的颜色变化,仍然是极具挑战的工作。

鉴于此,东华大学先进功能材料课题组王宏志教授带领团队人员,利用平行双对电极结构,通过定制设备,首次实现了多色彩电致变色纤维的连续化制备,纤维长度可达百米以上。并且纤维器件具有良好的电化学和环境稳定性(如机械稳定性、水洗稳定性、光照稳定性和热稳定性)。该电致变色纤维可编织成大面积智能变色织物,或植入到织物中形成不同图案,在可穿戴显示和自适应伪装等领域具有广阔的应用前景。该项研究成果以“连续化制备的多环境稳定性的长程电致变色纤维”(Continuously processed, long electrochromic fibers with multi-environmental stability)为题发表在《ACS应用材料与界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)上。


图1:基于平行双对电极结构的多色彩电致变色纤维的连续化制备

通过设备定制,将其组装成电致变色纤维连续化生产线。采用Cu@Ni金属纤维作为电极,依次在表面涂覆ITO层、电致变色活性层,最后通过挤出的方法,将两根对电极平行包裹在电致变色活性层表面并形成聚合物保护层,从而得到平行双对电极结构的电致变色纤维。通过使用不同的紫罗精类电致变色材料,在不同电压下,变色纤维可实现灰和蓝、灰和品红以及黄和绿、深红之间的可逆颜色変化。并且由于金属纤维电极良好的导电性和电致变色活性层形成的较短的离子扩散路径,使电致变色纤维具有较快的变色速度。


图2:长程电致变色纤维变色均匀性

通过调节电致变色活性层制备参数(固化温度、传输速度等),使电致变色活性层均匀粘附在电极表面,活性层离子电导率可以达到3.07×10−3 S cm−1。此外,通过对比平行双对电极结构和单对电极结构纤维的变色效果,以及对纤维器件进行电势分布模拟,可以看出平行双对电极结构具有更均匀的电势分布,从而使电致变色纤维在长程范围上仍具有较好的变色均匀性。


图3:电致变色纤维电化学稳定性


图4:电致变色纤维环境稳定性

金属纤维表面涂覆的ITO层可有效减少电致变色活性层中离子与金属电极之间的副反应,从而极大地提高了电致变色纤维的电化学稳定性。300次循环后,纤维变色效果几乎不变。电致变色纤维外层的聚合物保护层有效提高了纤维的环境稳定性。电致变色纤维在100次弯折、100次水洗、20h光照和30h加热后仍具有较好的变色效果。


图5:电致变色纤维多功能应用

由于电致变色纤维的可控性、变色均匀性和纤维长度的提高,可使用针织机将电致变色纤维编织成大面积电致变色织物,在电压为−1.5V时,织物颜色变为蓝色,在电压为0V时,织物颜色恢复为灰色。利用电致变色纤维织物的颜色变化对人物进行伪装,展现了其根据周围环境变化进行自适应伪装的潜力。除了用于自适应伪装外,具有各种颜色变化的电致变色纤维还可以植入/编织到织物中,用于可穿戴显示。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c09589

  摄影: 图片由该课题组提供撰写:范宏伟  信息员:星禧  编辑:孙庆华





友情链接

上海市长宁区延安西路1882号(200051)
Email: xydep@dhu.edu.cn
Tel: +86 (21) 62373862
技术支持:上海鱼鸢网络技术有限公司
Copyright @2014 东华大学