徐卫林院士团队研发新型纱线高危环境防护、监测、控温全搞定 Engineering

  在工业生产、化学实验等高危环境中，工作人员面临着化学侵蚀、热湿不适及难以实时监测身体健康情况等诸多难题。近日，一项发表于中国工程院院刊《Engineering》的研究成果为解决这样一些问题带来了曙光。来自武汉纺织大学的徐卫林团队与苏州大学方剑教授团队携手合作，成功研制出一种具有分层芯鞘结构的耐化学性纱线（HCSY）及其织物（HCST），在安全监控与热管理方面取得了新进展。许多、刘英存、葛灿为共同第一作者。

  图 1. 可拉伸分层芯鞘结构纱（HCSY）/分层芯鞘结构纱线纺织品（HCST）的示意图和工作机制。具有分层芯鞘结构的 HCSY/HCST 可用于高风险环境中，集成了耐化学性、实时运动监测、人机交互和可调热管理等功能应用。PTFE：聚四氟乙烯。

  该研究团队选用镀银尼龙长丝、聚四氟乙烯（PTFE）纱线和氨纶纱线，通过创新的空心纱锭纺纱与编织技术，制造出 HCSY。它由弹性氨纶为芯、螺旋缠绕镀银尼龙的传感层及外层网络状 PTFE 保护层构成。在大规模制备上，此工艺优势显著，可连续生产任意长度纱线，满足纺织加工需求。经测试，HCSY 能承受 50% 应变变形，应力约 0.8 N，且 HCST 柔韧性与可拉伸性良好，PTFE 层在应变下保持疏水性，兼具化学防护与形态重构特性。

  图2. HCST 的耐化学性表征。（a）自制耐化学性测试装置示意图。（b）样品表面浸入 1 mL 质量分数为 99% 的 H2SO4后的光学图像。（c）样品表面暴露在质量分数为 99% 的 H2SO4 中 10 min 后的光学图像。（d）去除覆盖织物后易腐蚀材料的光学图像。

  在耐化学性测试中，将高浓度 NaOH 和 H2SO4溶液分别滴于 HCST 和普通棉织物，棉织物迅速分解，HCST 却能使化学液滴滚落且维持性能。浸泡 30 分钟后，棉织物被腐蚀，HCST 完好无损，即便在 50% 应变下，其耐化学性依然出色。特制测试装置进一步验证，与棉织物和商用化学防护织物相比，HCST 能有效阻挡化学溶液，保护易腐蚀材料，这得益于 PTFE 保护层对化学溶液的阻隔及应变时对间隙的调控作用。

  HCSY 的传感性能也十分突出。研究之后发现，随着镀银尼龙丝缠绕密度增加，其相对电阻变化率（R/R0）先升后降，4Tcm- 时灵敏度最高。在不同应变区间，其测量系数（GF）不同，0 - 5% 应变区间 GF 达 5.9，5% - 23% 区间降至 3.4，23% - 50% 区间稳定于 2.2，且在 50% 应变时迟滞仅 2.12%，响应时间 40 ms。不同编织参数的 HCSY 接触化学溶液前性能相似，部分在接触 H2SO4后仍稳定，循环拉伸超 15000 次后电阻变化小，PTFE 保护层保障了其传感稳定性。

  图3. HCSY 的人机交互性能。通过集成在 CCPS 上的 HCSY 对人体运动进行应变传感监测，并对膝关节弯曲（a）、手腕弯曲和旋转（b）以及肘关节弯曲（c）发出相应的响应信号。图片显示了贴合到膝关节以不同频率弯曲进行行走运动（a）、手腕在不同摇晃范围内以不同角度弯曲和旋转（b）以及肘部以不同角度弯曲进行化学溶液制备（c）的 HCSY 设备。（d）利用五个手指产生的信号监测各种手势。（e）KNN 模型显示不同手势的分类准确率。（f）实时演示人机远程控制系统在高风险环境中的同步操作。

  在人机交互方面，HCSY 可精准监测人体日常及实验操作中的运动。将其传感器置于手套指关节，经 K 最近邻（KNN）模型训练，手势识别准确率达 94.16%，能远程操控机械手精准复现手指动作，在仪器操作控制领域应用前景广阔。

  HCST 的热管理功能同样不可小觑。在 50% 应变下，其透气性和透湿性提升，热导率可调节。实验表明，人造皮肤模拟出汗时，HCST 在应变后可使皮肤温度从 37.6 ℃降至 31.2 ℃，接触化学物质后热管理功能无显而易见地下降。实际穿着测试中，在化学防护服腋下缝制 HCST，运动时其能有效散热降湿，展现出实用的体温调节能力。

  此项研究成果成功克服了化学防护、运动监测与热管理难以兼顾的难题，为高危环境工作人员提供了更可靠的防护。未来，这种分层芯鞘结构的智能防护纱线有望实现大规模生产应用，极大提升化学实验室、工厂等场所的安全防护水平，推动智能防护纺织品领域的发展。

  许多, 刘英存, 葛灿, 高冲, 陈泽, 苏子毅, 龚浩然, 徐卫林, 方剑

  特别声明：本文转载只是出于传递信息的需要，并不代表代表本网站观点或证实其内容的真实性；如别的媒体、网站或个人从本网站转载使用，须保留本网站注明的“来源”，并自负版权等法律责任；作者若不希望被转载或者可以联系转载稿费等事宜，请与我们接洽。

  FASE 亮文解读：瓦赫宁根大学Erik Limpens团队—菌根网络中的信息交流

  FCSE 前沿研究：CO2电还原机制研究：基于DFT分析锰二亚胺催化剂在CO2转化与析氢反应中的可行性及选择性

  FCSE 前沿研究：糠醛渣与聚氯乙烯在快速共热解过程中的相互作用及特性

  FES 文章概览：山东雹暴基于双偏振参量的冰雹大小识别算法个例应用研究