《Advanced Engineering Materials》：Effect of Calendering and Surface Treatment on the Thermochromic Response of Cholesteric Liquid Crystals on PET Nonwovens
编辑推荐：
具有温度传感功能的智能纺织品因其在医疗保健和包装行业中便捷的温度监测能力而备受关注。本研究探讨了利用直接墨水书写（DIW）技术将热致变色胆甾相液晶（CLC）沉积在PET非织造布上，重点研究了压延以及表面处理（如亲水性PVA和疏水性NeverWet涂层）的影响。
具有温度传感功能的智能纺织品因其在医疗保健和包装行业中便捷的温度监测能力而备受关注。本研究探讨了利用直接墨水书写（DIW）技术将热致变色胆甾相液晶（CLC）沉积在PET非织造布上，重点研究了压延以及表面处理（如亲水性PVA和疏水性NeverWet涂层）的影响。润湿研究表明，多孔非织造布促进CLC的快速吸收，而压延未涂覆的非织造布尽管孔隙率和透气性降低，却能加速墨水吸收。表面化学性质进一步影响CLC的行为，PVA增强润湿，而NeverWet抑制润湿和吸收。结果表明，NeverWet涂层显著改善了热致变色性能，对于压延和非压延基材，峰值感知亮度（L*）均增加约260%。与未涂覆的对应样品相比，PVA涂覆的非压延非织造布显示出略低的峰值L*（降低约12%），然而，PVA涂层与压延的协同效应由于抑制了吸收，使峰值L*值增加约160%。红、绿、蓝（RGB）的颜色强度遵循相似的趋势。这些发现强调了控制CLC-基材相互作用的重要性，并展示了其在可穿戴温度传感应用中的潜力。
**研究背景与意义**
近年来，随着纺织工业对先进功能材料需求的持续增长，智能纺织品受到了广泛关注。与传统的织物不同，智能纺织品被设计为能够响应外部刺激，从而在传统用途之外实现附加功能。其中，具有温度传感能力的智能纺织品因其在医疗保健领域的相关性而尤其引人关注，这类材料有望实现对体温的连续、无创监测，这对于疾病的早期发现和改善患者舒适度具有重要意义。热致变色材料因其能够通过颜色变化即时监测温度变化而无需外部电子设备，在纺织品中具有特殊价值。在常用的热致变色材料中，隐色染料提供简单的颜色变化，而液晶则能实现更广谱的颜色变化。胆甾相液晶（CLC）因其热致变色行为而尤为突出，其手性向列相螺旋螺距随温度变化产生可见的颜色转变，通常从蓝色（约450 nm）到红色（约760 nm）。尽管已有研究将液晶整合到纺织品中用于温度监测，但基材特性在决定热致变色性能方面的作用仍未得到充分探索，特别是对于直接打印在多孔非织造布基材上的CLC墨水。此外，当施加表面处理时，CLC与纺织基材之间的相互作用，特别是CLC在这些处理过的多孔基材上的润湿和吸收行为，存在较大的知识空白。基于此，本研究旨在评估PET非织造布基材的表面改性对通过DIW制造的CLC图案热致变色性能的影响，比较了压延和非压延PET非织造布基材上亲水性PVA和疏水性NeverWet表面涂层的作用。
**关键技术方法**
研究人员采用熔融共混法制备由30%胆甾醇油基碳酸酯（COC）、60%胆甾醇壬酸酯（CP）和10%胆甾醇苯甲酸酯（CB）组成的三元CLC墨水。PET非织造布经200 °C压延处理，随后通过等离子体预处理和空气喷涂法分别施加PVA（10 wt%）和NeverWet涂层。采用基于挤出的3D打印机（3D Bioplotter）在70 °C下以200 μm喷嘴直径打印CLC线条。通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察基材形貌，使用测角仪和流变仪研究润湿行为和流变性能，采用差示扫描量热法（DSC）分析热特性，依据ASTM D737标准测量透气性。热致变色性能通过Peltier板控温结合12.0 MP彩色相机采集图像，并使用自行开发的Python程序提取RGB和L*a*b*数据进行分析。
**研究结果**
**非压延和压延PET非织造布有无表面涂层的形貌分析**：通过SEM观察发现，压延使非织造布结构更加致密，纤维变扁平且加宽，相邻纤维间的接触和融合增加导致孔径减小。PVA涂层在非压延基材上沿纤维分布且不均匀，而在压延基材上形成更均匀连续的涂层。NeverWet涂层在两种基材上均保持开放孔隙结构，主要在纤维层面改变表面化学性质而非形成连续膜。
**透气性分析**：通过透气性测试表征孔隙率，未涂覆非压延非织造布透气性最高（409.6 ± 52.28 ft3/ft2/min）。PVA涂覆使透气性降至350.7 ± 49.98 ft3/ft2/min，NeverWet涂覆后透气性（396.1 ± 52.48 ft3/ft2/min）与未处理样品接近。压延使透气性降至345.9 ± 63.81 ft3/ft2/min。PVA涂覆压延样品的透气性最低（166.6 ± 40.11 ft3/ft2/min），较未处理基材降低近60%，表明压延和PVA涂层具有强协同效应。
**CLC墨水在非织造布基材上的润湿行为**：通过接触角测量和液滴体积监测发现，未涂覆和PVA涂覆的非压延基材表现出强润湿行为，接触角在15–20 s内从约50°–55°降至20°以下，液滴体积急剧减小至接近零，表明毛细管驱动的吸收占主导。NeverWet涂覆基材接触角保持在约120°–125°，液滴体积几乎不变，吸收被有效抑制。对于压延基材，未涂覆压延样品因压延促进了CLC的横向铺展而加速了吸收；PVA涂覆压延样品的吸收较慢，铺展和吸收共同导致接触角降低；NeverWet涂覆压延样品与未压延情况类似，接触角高且吸收可忽略。这些结果可通过Lucas–Washburn机制解释。
**不同非织造布基材上打印CLC图案的形貌表征**：通过光学显微镜观察打印线条形貌，未涂覆和PVA涂覆的非压延基材上CLC墨水大量渗入基材，线条边缘粗糙。NeverWet涂覆基材上打印线条最窄，与高接触角和可忽略的墨水吸收一致。压延PVA涂覆基材上打印线条较宽且更多墨水保留在表面。研究人员计算出最大Weissenberg数（Wimax）大于500，表明剪切诱导和热驱动取向共同贡献于CLC排列。
**未涂覆和涂覆非压延PET非织造布基材上CLC图案的热致变色响应**：通过RGB和L*a*b*分析发现，未涂覆和PVA涂覆非压延非织造布显示相似的趋势，后者RGB强度略低。NeverWet涂覆PET非织造布在更宽温度范围内表现出更高的RGB强度，L*峰值增加约260%，且颜色峰值向低温偏移约0.5–1 °C。PVA涂覆非压延样品的L*峰值较未涂覆样品降低约12%。a*参数变化较小，b*参数在NeverWet涂覆基材上表现出更深的极小值，对应更显著的蓝移。
**未涂覆和涂覆压延PET非织造布基材上CLC图案的热致变色响应**：压延对未涂覆基材导致较低的RGB强度和亮度（L*峰值降低约30%）。压延对PVA涂覆基材产生整体积极效果，L*峰值较未压延未涂覆基材增加约160%，因为吸收的减少超过了铺展的影响。NeverWet涂覆基材的RGB强度和L*值在压延前后保持相对相似，涂层化学主导了墨水-基材相互作用。
**循环加热下非织造布基材上打印CLC图案的热致变色响应**：通过10次加热循环发现，未涂覆和PVA涂覆非压延样品因毛细管驱动吸收导致反射强度逐渐降低，PVA涂覆样品因更大的横向铺展而强度下降更明显。压延未涂覆样品从第一次循环起光学强度就较低，且持续吸收使表面层快速变薄。PVA涂覆压延样品因PVA层延迟吸收，第一次循环强度较高但第二次后急剧下降。NeverWet涂覆基材（无论压延与否）因疏水性限制吸收，打印线条在加热循环中保持几何形状，热致变色强度相对较高且波动较小。
**非织造布绷带上打印CLC图案用于热映射的演示**：在涂覆NeverWet的商用粘性绷带上制造CLC线条，通过加热手臂后观察绷带冷却过程中的颜色变化，发现CLC颜色连续变化呈现清晰的温度梯度，与红外热成像结果一致，证实了基于CLC的温度传感的可靠性。
**讨论与结论**
研究人员讨论了基材结构和表面性质对CLC铺展和吸收的影响机制。未压延基材的开放多孔结构促进快速毛细管吸收，压延改变纤维堆积并增强CLC的铺展和吸收。亲水性PVA涂层促进铺展和部分吸收，而疏水性NeverWet涂层限制铺展和渗透，使更多CLC保留在表面，有利于保持CLC取向和不受干扰的线条表面。因此，NeverWet涂覆基材表现出显著改善的热致变色性能，具有更高的颜色强度、更好的亮度和在重复加热循环中更稳定的行为。相反，未涂覆和PVA涂覆基材中更大的铺展和吸收可能因基材表面粗糙度干扰CLC取向并降低整体光学响应，而PVA涂层与压延非织造布的协同效应阻碍了CLC吸收，从而提高了热致变色性能。这些发现强调了维持连续、表面定位的CLC层对于实现强而稳定的热致变色行为的重要性。最后，在涂覆绷带上打印CLC图案展示了该系统在可穿戴温度传感中的实际潜力。
翻译研究结论部分：本研究考察了利用DIW在不同表面改性和结构条件的PET非织造布基材上沉积热致变色CLC。DIW过程最初建立的CLC取向是相同的，但这种取向在各种非织造布基材上沉积后保持的程度在很大程度上取决于墨水-基材相互作用。结果表明，基材的结构和表面性质均强烈影响CLC在基材上的铺展和向多孔非织造布中的吸收，最终影响打印图案的光学性能。具有开放多孔结构的非压延基材促进快速毛细管吸收，而压延改变纤维堆积并改变流体传输，增强CLC的铺展和吸收。表面处理进一步影响这一行为：亲水性PVA涂层促进铺展和部分吸收，而疏水性NeverWet涂层限制铺展和渗透，使更多CLC保留在表面，有利于保持CLC取向和不受干扰的线条表面。因此，NeverWet涂覆基材表现出显著改善的热致变色性能，具有更高的颜色强度、更好的亮度以及在重复加热循环中更稳定的行为。相反，未涂覆和PVA涂覆基材中更大的铺展和吸收可能因基材上的粗糙度干扰CLC取向并降低整体光学响应，而PVA涂层与压延非织造布的协同效应阻碍了CLC吸收，导致热致变色性能提高。这些发现强调了维持连续、表面定位的CLC层对于实现强而稳定的热致变色行为的重要性。最后，在涂覆绷带上打印CLC图案展示了该系统在可穿戴温度传感中的实际潜力。总体而言，本工作展示了通过定制基材性质可以显著改善热致变色性能，为设计基于智能纺织品的传感系统提供了有益的见解。
