随着科技的进步，众多具备独特性能的新型材料不断涌现，极大地丰富了人们的日常生活，并在基础设施建设领域得到了广泛应用。其中，聚硼硅氧烷因其别具一格的特性而深受研究者们的瞩目，在振动控制、能量吸收以及冲击防护等领域展现出广阔的应用前景。作为一种粘弹性聚合物，聚硼硅氧烷的动态共价网络结构是通过聚二甲基硅氧烷前体与硼酸之间可逆的硼-氧（B-O）键交联而成的。这种材料，也被称为剪切变硬胶（SSG），凭借其出色的剪切变硬效应以及动态B-O键所特有的频率依赖性可逆结合/解离特性，在多功能防护材料的研发中显露出了巨大的潜力。然而，SSG本身存在的自然蠕变现象，为其在防护领域的实际应用带来了不小的挑战。
近日，中国科学技术大学龚兴龙教授团队在《Chemical Engineering Journal》上发表了一篇题为“Superior filaments-based fabric with thermal-mechanical-electrical coupling properties for remote temperature alarm”的论文。该研究工作成功制备了一种集热-力-电耦合性能于一体的防护织物。研究过程中，团队首先利用炼胶机将SSG与TPU（热塑性聚氨酯）进行充分混合，随后通过热熔挤出法制备出了复合丝线。值得一提的是，在配方中加入了适量的阻燃剂——胶囊化多磷酸铵后，使得这种材料在保持原有优异性能的基础上，获得了良好的阻燃特性。由该复合丝线编织而成的织物，能够在面对明火时展现出强大的抵抗力，即便持续燃烧19秒也能保持结构的完整性。相比于纯TPU，引入SSG后的复合材料表面光滑并且无孔洞（图1b）。得益于高性能TPU与SSG所具备的剪切变硬效应，二者协同作用使得复合材料在力学性能上有了显著提升，并表现出优异的能量耗散能力（图1f）。此外，随着阻燃剂添加量的增加，复合丝线的力学强度也呈现出稳定的增长趋势（图1n）。进一步地，利用高性能丝线进行编织。编织出的织物不仅呈现出多样化的结构，还具备独特的力学性能（图2a-c），其中，织物在经度和纬度方向上的拉伸性能也各有特色。此外，这些织物还展现出了卓越的耐水洗性和耐磨损性，确保了其长久的使用寿命和实用性（图2f和h）。由该高性能丝线编织而成的织物，展现出了显著的力耗散特性。与采用商用丝线编织的织物相比，它在受到冲击时呈现出更低的峰值冲击力以及更长的缓冲时间段（图3c）。这一特性意味着，当织物受到外力冲击时，能够有效吸收并耗散大量的冲击能量，从而提供出色的防护效果。另外，织物中的孔洞结构对其抗冲击性能的影响相对较小（图3e），进一步证明了这种高性能丝线编织物的优越性和实用性。将商用护膝的中间部分替换为本研究中所开发的高性能织物后，相较于原始的商用护膝，改良后的护膝在抗冲击性能方面展现出了更为卓越的表现（图4a-d）。在同等质量条件下，本研究织物所承受的峰值冲击力明显低于商用夹层材料，证明了本研究织物在力学防护方面的显著优势（图4f和g）。此外，将结合了MXene的导电丝线巧妙地嵌入到织物之中（图4h），使得织物能够通过监测电阻的变化来实时反馈所受到的力学冲击刺激（图4j），为护膝的智能化和监测功能提供了新的可能性。由该高性能丝线编织而成的织物，也展现出了优异的隔热性能（图5a）。不同的编织结构会对织物的隔热性能产生显著影响（图5b）。为了探究织物孔洞对隔热性能的影响，进行了对比实验，结果表明孔洞尺寸较小的织物展现出了更为出色的隔热性能（图5e）。在面临长达19秒的持续燃烧测试时，这种织物能够在离开火源后自行熄灭，显示其良好的阻燃特性。同样值得一提的是，嵌入在织物中的导电丝线能够实时反馈不同的温度变化，为织物的温度监测提供了有力的支持。这种高性能丝线能够编织成多种防护性织物（图6a），并且展现出卓越的弹性（图6b）。与市售的商用消防服相比，采用这种丝线编织的织物在力-热耦合防护性能方面表现更为出色（图6c和d）。此外，通过将导电丝线巧妙地融入编织织物中，并结合远程温度报警装置，实现了一种创新的火灾救援应用（图6g），为消防安全和救援工作提供了更为高效和智能的解决方案。综上所述，本研究通过简便高效的熔融挤出技术，成功开发出一种兼具抗冲击与阻燃特性的高性能丝线。由其编织而成的织物不仅具备出色的力-热耦合防护效果，还能与导电丝线相结合，实现力/热双重报警功能。因此，这种高性能丝线及其编织的织物有望成为下一代防护型织物的佼佼者。论文的第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士研究生陈红，通讯作者为中国科学技术大学工程科学学院龚兴龙教授和桑敏特任副研究员。该研究得到了中国国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、以及中国博士后科学基金的资助和支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156856
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