期刊： Engineering
DOI： https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.06.018
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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状况等诸多难题。近日，一项发表于中国工程院院刊《Engineering》的研究成果为解决这些问题带来了曙光。来自武汉纺织大学的徐卫林 院士 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 H 2 SO 4 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 H 2 SO 4 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。研究发现，随着镀银尼龙丝缠绕密度增加，其相对电阻变化率（Δ R/R 0 ）先升后降，4T•cm - ¹ 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 H 2 SO 4 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明显下降。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。
文章信息：
Chemical Resistant Yarn with Hierarchical Core–Shell Structure for Safety Monitoring and Tunable Thermal Management in High-Risk Environments
用于高危环境中的安全监控和可调热管理的分层芯鞘结构耐化学性纱线
作者：
许多, 刘英存, 葛灿, 高冲, 陈泽, 苏子毅, 龚浩然, 徐卫林, 方剑
引用：
Duo Xu, Yingcun Liu, Can Ge, Chong Gao, Ze Chen, Ziyi Su, Haoran Gong, Weilin Xu, Jian Fang. Chemical Resistant Yarn with Hierarchical Core–Shell Structure for Safety Monitoring and Tunable Thermal Management in High-Risk Environments. Engineering, 2024, 32(1): 217–225 https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.06.018
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https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.06.018
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