纤维表面弧形金微纳米片鱼鳞式共价组装及价键稳定性研究

Metallization of fiber surfaces is a key technology in the field of wearable textiles and “personal thermal management” intelligent protective materials. For the problems like poor adhesion, thick coating and impermeability that exist in the metallized textiles by coating, dipolar organic molecules are used as “molecule rope” to assemble arc-shaped gold micro-nano sheets on the surface of cellulose fiber. The controllable prepared arc-shaped micro-nano sheets form fish scale structure on cellulose by covalent bonds. The curved surfaces of gold can reflect near infrared light. The micro-nano structure ensures good permeability of the fabric. The relationship between the structures of “molecule rope” and strength of S-Au coordination bond force, the influence factors of coordination bond stability, the reactivity of “molecule rope” and cellulose and the stability of covalent bonds will be studied. The intrinsic correlation of the stability between dipolar organic molecules structures, micro-nano sheets and fiber will be revealed. The influence rules of the morphological structures of the arc-shaped gold micro-nano sheets on the selectivity of reflected near infrared spectral will be investigated, providing novel methods and ideas for the design of functional textile materials.

纤维表面金属化是可穿戴纺织品和“个人热管理”智能防护材料领域的关键技术。针对镀膜或涂层技术形成的金属化纺织品粘附性差，镀膜厚，织物不透气等一系列问题，本课题提出以含活性基和巯基的偶极有机分子为“分子绳索”，将可控制备的弧形金微纳米片在分子水平上通过共价键组装到纤维素纤维表面，形成鱼鳞式结构，利用金属弧形表面反射近红外，借助微纳米结构，使织物具有透气性。重点研究偶极“分子绳索”的化学结构（分子链长度、分子极性、取代基）与S-Au配位键作用力强度的关系和价键稳定性影响因素，研究偶极“分子绳索”与纤维素的反应性和共价键稳定性。揭示偶极分子结构-微纳米片-纤维的稳定性内在相关性。了解纤维表面弧形金微纳米片的形态结构对反射近红外的波谱选择性影响规律，为功能纺织材料的设计提供新方法和新思路。

纤维表面金属化是可穿戴纺织品和“个人热管理”智能防护材料领域的关键技术。由于纤维和金属之间没有亲和力，如何使金属和纤维很好地结合一直是一个难题。涂层或镀膜是目前研究的纤维金属化的主要手段，但是在纤维表面进行金属镀膜或涂层存在粘附性差，金属使用量大，增重率高，织物手感硬，透气性差等问题。如何在增强纤维和金属结合力的同时减少金属使用量，不影响织物的手感及透气性能是纤维金属化要解决的关键问题。. 本项目主要研究内容包括：（1）研究了偶极有机分子的结构设计与合成。得到了4种具有不同分子链长度、不同 π 共轭体系、不同取代基的含乙烯砜硫酸酯活性基和巯基的偶极有机分子D1~D4及含有咪唑阳离子结构的化合物C1~C4。（2）研究了可控形貌的金微纳米片的制备、金、铝微纳米片对纤维的修饰以及偶极分子与纤维素的反应性。以二氧化硅为模板，不同厚度的酚醛树脂层提供空腔结构，通过高温去湿的方法制备了尺寸从150 nm到5 μm的弧形金属微纳米片。采用纤维素纤维染色的方法，将偶极分子修饰的金属微纳米片整理到纤维上，形成偶极分子-金属微纳米片-纤维之间的多重共价组装。（3）研究了金属化纤维的结构与红外反射性能的关系。研究发现具有较短分子链及较大共轭体系的偶极有机分子对金微纳米片的组装稳定性更好。组装金属片后纤维红外发射率明显降低，且随着金微纳米片尺寸增大，红外发射率大幅降低。织物的手感与金属化前相比无明显降低。这表明通过偶极有机分子将金属微纳米片共价组装到纤维表面，可有效防止人体向外辐射红外线，隔绝热能的传播，同时对织物的手感及透气性能影响较小。项目还研究了金属铝微米片与纤维素纳米微晶(CNCs)共组装形成CNC/Al杂化手性螺旋层状复合膜，利用CNCs的被动辐射冷却与铝片的低红外发射率之间的协同作用，实现了良好的红外隐身及隔热效果。金属微纳米化的功能纤维材料无论在民用功能纺织品，还是在航空航天、军事防护材料等领域都具有重要的研究意义。