静电纺丝+静电喷雾!川大团队研发仿生超疏水发光材料,水下与-28℃均能应急发光

  • 发布时间:2026.10.30
  • 作者:Wemaxnano

一、研究背景:极端环境,急需 “不靠电池” 的发光织物

深海探测、极地科考、灾后搜救等任务中,水下、黑暗、极寒环境下的遇险人员急需可靠的发光求救信号。

传统 LED、无线信标这类电子发光装备短板很明显:依赖电池供电,电量耗尽就失效;进水之后容易损坏,威胁被困人员生命。

被动光致发光面料,不需要电源,是极端环境理想选择。但一直有痛点!遇水、结冰、摩擦磨损,发光颗粒容易流失或者发光淬灭。限制了实际救援装备落地应用。

研发可以耐水洗、耐磨损、抗结冰,同时水下也可以稳定发光的无源发光织物,成为智能防护纺织领域亟待攻克的关键课题。


二、核心创新:静电纺丝+静电喷雾,打造 “骨架-肉身” 层级仿生结构

川大发光材料期刊图

大自然给四川大学杨璐铭副教授研究团队带来重要启发:深海维多利亚水母依靠一层透明坚韧表皮,既锁住体内发光蛋白不外泄,又阻挡海水侵入,同时光线可以自由穿透,实现在深海稳定发光,四川大学团队借此提出静电纺丝—静电喷雾协同制备策略(EES),构建独特 “骨架—肉体” 层级复合结构发光薄膜(ELF):

  • 骨架部分:通过静电纺丝将混有疏水发光颗粒S—SAO的 TPU 热塑性聚氨酯制备成纳米纤维,充当整体支撑 “骨架”,提供力学支撑与发光来源。
  • 肉体防护层:通过静电喷雾,把超疏水二氧化硅气凝胶纳米颗粒(S—SiO₂)均匀沉积在纤维内外,构筑微—纳粗糙结构,形成一层类似水母皮肤的空气缓冲保护层。
仿生原理、制备方法与样品外观形貌

图1.仿生原理、制备方法与样品外观形貌

研究团队系统优化纺丝配方,确定最优工艺参数:21 wt% TPU 搭配 15 wt% 疏水发光颗粒 S—SAO,平衡纤维成膜质量、颗粒分散性与发光强度;证实二氧化硅涂层几乎不会损害材料发光寿命,做到疏水功能和发光性能兼顾。

基于这套周期性协同工艺,还可以通过静电喷涂环保颜料,直接制备彩色发光薄膜,避开传统染色破坏超疏水性能的弊端;再通过高温加捻工艺,把发光薄膜加工成发光纱线 ELY,最后编织成厘米级的发光织物 ELT,完成从纳米薄膜→纱线→成品织物完整制备链条。

仿生超疏水发光织物 ELT 制备与功能探究

图2.仿生超疏水发光织物 ELT 制备与功能探究


三、关键成果:耐水洗、抗磨损、抗结冰,水下稳定发光 180 秒

团队完成了完整系统性能表征,材料多项性能实现突破。

ELF 薄膜的各项性能表征

图3.ELF 薄膜的各项性能表征

1.空气 & 水下长效余辉发光

经 365 nm 紫外光激发 60 s 后,无论是空气中还是水下黑暗环境,样品肉眼可见持续发光超过 180 s;发光平均寿命约 115 s;水下表面形成镜面气垫,隔绝水体,保护发光层不被淬灭。

2.优异超疏水与环境耐受性

  • 耐水洗:织物可以经受120 分钟持续水洗模拟,水接触角依旧保持大于 150° 的超疏水状态。
  • 耐磨:承受 20 次磨损循环,依旧保留超疏水和发光能力。
  • -28℃抗结冰:低温环境下水滴落在织物表面直接滚落,不会结冰覆盖面料,保证发光信号不会被冰雪遮挡;
  • 自清洁:表面灰尘可以被滚落水滴带走,户外场景无需人工维护,保持发光信号清晰可见。

3.多元场景功能验证

  • 刺绣与加密光信息传输:彩色发光纱线可以用于刺绣,缝制二维码、花纹图案;白天显示一组数字图案,黑暗条件显现隐藏 SOS 求救信号,实现加密光学信息传递。
  • 水下警示标识:黑暗水下环境可以持续发光,可用于泳池深浅水域标识。
  • 潜水员救援概念验证:将发光织物固定在潜水员模型小腿、头盔位置,黑暗水箱环境下,织物持续发出绿光,便于救援人员快速定位被困潜水员,还可通过头盔发光编号完成身份识别,完成水下救援概念样机演示。
彩色发光纱线 ELY 及其拓展应用

图4.彩色发光纱线 ELY 及其拓展应用


四、研究意义:开辟无芯片无源光学信号新路径

这项仿生策略跳出传统电子器件思路,依靠材料层级微纳结构设计,实现不需要芯片、不需要电池的无源光学信号输出,对极端环境防护纺织装备有多重价值:

  • 应急救援领域:面向极地探险、高山搜救、水下潜水遇险,面料集成在防护服上,遇险情被动发光输出求救信号,不惧怕低温、雨水、冰雪环境,提升遇险人员生存概率。
  • 安全穿戴与物联网:拓展可穿戴安全系统,面向低能耗、零电池的人机交互场景;彩色发光纱线的加密显示思路,也为防伪、保密信息标识提供新思路。
  • 仿生材料范式:借鉴生物体表防护机制,将静电纺丝-电喷协同技术拓展到多功能织物开发,为水下稳定功能纺织品提供一套可借鉴的完整制备方案。

DOI:10.1002/adfm.79229


五、佛山微迈——静电纺丝设备解决方案

本研究核心工艺为静电纺丝-静电喷雾协同(EES),需要设备同时支持静电纺丝、静电喷雾一体化作业,对设备的多工艺兼容、温湿度控制、多喷头协同能力提出很高要求。

多功能静电纺丝机 E04侧面

佛山微迈 E04 多功能静电纺丝机,正是适配该类复合纳米纤维研究的制造平台:

  • 静电纺丝+静电喷雾一体化:一台设备集成静电纺丝、静电喷雾、超声喷雾、共轭纺丝、纳米纺纱、同轴纺丝、气流纺丝及多针混合纺丝等多种工艺,完美匹配“静电纺丝-静电喷雾交替沉积”的 EES 协同工艺,可直接制备“骨架-肉身”层级复合纳米纤维膜样品。
静电纺丝工艺
  • 精密温湿度控制:集成一体式变频除湿系统,可在常温条件下实现湿度控制,避免加温除湿引起的实验样品结果和实验参数不稳定。特别适用于对温湿度敏感的材料体系实验。
  • 智能化数据管理:触摸屏中文操作系统,实验参数可保存、导入、回溯,便于课题组积累工艺配方。

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