紡織品也可以模仿生物體在損傷後自動癒合

文＝家紡說｜全球家紡精英數字平台

20世紀80年代中期開始，人們希望找到智能材料體系集感知、驅動、信息處理於一體的材料。21世紀紡織科技新發展，已能製取「機敏」、「靈巧」、「智能」纖維材料，用來生產智能紡織品；或者以常規織物為「平台」，加入各種各樣的新化工原料，生產出智能紡織品。智能纖維的構思來源於仿生學，一般從仿生學、分子設計、複合技術三方面達到自修復、自調整、自診斷、自適應、自恢復等功能。

其中，具有自修復功能的聚合物基複合材料是近幾年學術界研究的熱點，目前，對這一領域的開發與研究已成為科學界高度關注的熱點。作為一種新型的智能材料，自修復聚合物基複合材料是模仿生物體損傷自癒合的機理對材料加工或使用過程中肉眼難以發現的微觀裂紋進行自修復。

聚合物基複合材料自修復方法主要有本徵型自修復和外援型自修復。兩者的區別在於自修復體系是否需要外加修復劑。外援型自修復通過在材料體系內外加修復劑實現自修復功能，本文重點對外援型自修復材料進行介紹。

中空纖維自修復材料

中空纖維自修復方法的修復機理是將中空纖維埋植在基體材料中，空心纖維內裝有修復劑流體，材料發生破壞時通過釋放空心纖維內的修復劑流體粘接裂紋處實現損傷區域自修復。

中空纖維自修復過程

該方法最早應用於纖維增強混凝土材料中，近些年來許多研究學者將其應用於聚合物基複合材料的自修復領域。中空纖維的直徑一般在40～200 μm，依據纖維內部修復劑類型可分為3種類型：中空心纖維內裝有單組分修復劑，該組分可在空氣等作用下不需固化劑便可實現自修復；修復劑及固化劑分別注入不同空心纖維內，自修復過程需要修復劑與固化劑接觸才能實現；修復劑注入空心纖維內，固化劑以微膠囊形式分散在基體材料中，同樣也需要兩者接觸實現自修復功能。

中空纖維內修復劑種類

納米粒子自修復材料

納米粒子自修復機理為：當材料產生裂紋時，納米粒子向裂紋區域擴散（納米粒子尺寸越小擴散效果越好），擴散後的納米粒子相將裂紋處填充從而起到修復的作用。

納米粒子自修復機理

微膠囊自修復材料

微膠囊自修復聚合物材料於2001 年首次提出的，在之後的十幾年中成為科研學者們的研究熱點，並已成為目前最主要的自修復方法之一。其自修復機理為：將內含修復劑的微膠囊埋入聚合物基體材料中，同時在基體中預埋催化劑（也可將催化劑微膠囊化後埋入基體材料中），材料產生裂紋後，裂紋的擴展導致微膠囊破裂，釋放出的修復劑在虹吸作用下向損傷區域擴散，遇到催化劑後發生聚合反應修復裂紋。

微膠囊自修復機理

微脈管自修復材料

微膠囊自修復體系雖然是目前應用最廣泛的，但其只能實現單次修復，與理想的自修復材料相比還存在差距。與其相比，2007 年首次實現的微脈管網路自修復體系通過模擬生物體組織自癒合原理，通過在材料內部埋入具有三維網狀結構的微脈管，可實現修復劑的持續補充，因此可實現材料損傷的多次修復。

微脈管網路自修復機理

碳納米管自修復

碳納米管作為材料自修復體系，其修復機理為：將埋植在基體材料內的碳納米管充當容器，在其內部儲存修復劑分子，當材料產生裂紋時碳納米管破裂，修復劑釋放出來後吸附在裂紋處或在裂紋處發生化學反應粘接裂紋實現自修復功能。碳納米管自修復體系是理想的自修復材料體系，但目前僅處於計算機模擬階段，沒有真正的實驗研究，預計將來會得到很好的應用。

碳納米管自修復機理

自修復聚合物材料目前正處於快速發展的研究階段，屬於交叉學科研究領域，因此需要多種知識背景的研究者加入。未來發展趨勢主要為：

優化和開發新的自修復體系，提高修復效率和自修復循環次數；

自修復功能的實現不影響基體材料性能；

自修復同時具有自診斷功能，使自修復聚合物材料實現真正意義上的仿生材料；

從實驗室研究走向工程應用。

智能材料的發展為智能紡織品的開發奠定的堅實基礎，促進了高端紡織產業的發展。我們通過將智能材料應用於紡織品或使紡織品智能化，使傳統紡織品綻開新蕾。

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