一种温湿双响应型磁性复合纤维及其制备方法与应用与流程

本发明属于功能纤维，具体涉及一种温湿双响应型磁性复合纤维及其制备方法与应用。

背景技术：

1、磁性纤维作为一种兼具柔韧性与磁学特性的功能材料，近年来在可穿戴健康设备、磁疗护具、电磁屏蔽等领域获得了广泛关注。尤其在磁疗穿戴产品中，纤维表面磁通密度（以下简称“磁密”）的大小直接影响用户体验和治疗效果。目前，市面上的磁性纤维大多通过将铁氧体、钕铁硼等硬磁粉体或四氧化三铁等软磁颗粒分散在高分子基体中，再经熔融纺丝或溶液纺丝制得。这类纤维的磁性能一旦成型便基本固定，无法根据外界环境或人体状态的变化进行动态调节。然而在实际使用场景中，尤其是在夏季或湿热环境下，人体皮肤温度升高、排汗量增加，若纤维始终保持较高的表面磁密，容易导致局部磁场过强，引起不适甚至灼热感；同时纤维本身因吸湿透气性不足，也会加剧闷热体验。用户反馈显示，这一问题已成为制约磁疗穿戴产品舒适度和接受度的重要因素。

2、为了改善纤维的适应性，研究者尝试引入环境响应性材料。例如，利用温敏聚合物（如聚n-异丙基丙烯酰胺）制备的纤维可在温度变化时改变体积或渗透性，常用于智能纺织品或药物控释系统。湿敏聚合物（如羧甲基纤维素盐）则能在湿度升高时吸水溶胀，被用于湿度传感器或防潮包装。这些材料各自展现了良好的环境敏感性，但在磁性纤维领域，将其直接用于调节磁性能的报道尚不多见。主要原因在于：单纯依赖温度或湿度单一因素的响应，难以准确匹配人体实际的热湿变化规律，即人体出汗时往往同时存在温度升高和湿度增加，单一响应材料要么只能感知温度而忽略湿度，要么对湿度敏感但对温度无反应，无法实现真正的“同步自适应”。此外，即便有研究将温敏材料与磁性颗粒共混，也未能有效解决磁粒间距的动态调控问题，因为磁粒在纤维中的分布通常是随机的，间距变化对整体磁密的影响十分有限。

3、另一方面，现有技术中也有通过外加电场或磁场来在线调节纤维磁性能的方案，但这类主动调节方式需要持续供电和复杂控制系统，不适合用于无源的可穿戴产品。还有一些工作聚焦于多层复合纤维的结构设计，例如将不同功能的层结构组合以实现多重性能，但鲜有将环境响应层置于芯层与皮层之间，并使其专门用于调控磁性颗粒间距的构思。因此，如何在无需外部能源的条件下，使磁性纤维能够自主感知人体热湿状态并相应地调节自身磁密，同时保持良好的力学性能和穿着舒适性，仍是本领域亟待解决的技术难题。

4、综上所述，现有磁性纤维在环境适应性方面存在明显不足：一方面，固定磁密在高温高湿场景下易引发用户不适；另一方面，已有的温敏或湿敏材料虽能实现单一响应，却难以兼顾温湿协同变化，且缺乏有效的结构设计将响应行为转化为磁性能的可靠调节。开发一种能够根据温度和湿度双重信号自动优化表面磁密的新型磁性纤维，对于提升磁疗产品的智能化水平和用户体验具有重要意义。

技术实现思路

1、本技术是为了克服现有技术中存在磁性纤维表面磁通密度固定不变，在高温高湿环境下无法根据人体热湿状态自适应调节从而导致用户体验差的缺陷，因此提供了一种温湿双响应型磁性复合纤维及其制备方法与应用以克服上述不足之处。

2、为实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明首先提供了一种温湿双响应型磁性复合纤维，包括：

4、芯层，所述芯层包含磁性颗粒和聚合物基质，所述磁性颗粒沿纤维轴向定向排列；

5、响应夹层，所述响应夹层包覆所述芯层，所述响应夹层包含至少一种响应材料，所述响应材料能够在温度升高或湿度增加时发生溶胀；

6、鞘层，所述鞘层包覆所述响应夹层，用于维持纤维的结构形态；

7、其中，所述响应夹层在温度高于第一阈值或湿度高于第二阈值时溶胀，增大所述磁性颗粒之间的平均间距，从而使纤维的表面磁通密度降低。

8、现有磁性纤维在高温高湿环境下表面磁密无法自适应调节，导致用户产生灼热感和闷热感，而现有的温敏或湿敏材料虽然各自具备响应能力，但将其直接用于调控纤维磁性能时面临两个根本障碍：一是单一响应无法匹配人体同时升温和出汗的真实场景，二是即使将响应材料与磁性颗粒共混，磁粒在纤维中随机分布，间距变化对宏观磁密的影响极为微弱。发明人敏锐地意识到，要突破这一困境，不能仅靠材料替换，而必须从结构设计和多因素耦合入手。

9、本发明的核心构思在于构建一种同轴三层结构，并将响应材料以夹层的形式精确地包裹在芯层之外。芯层中磁性颗粒沿纤维轴向定向排列，这一排列方式并非随意选择，而是后续所有协同效应的结构基础。当响应夹层因温度升高或湿度增加而发生溶胀时，夹层的体积膨胀会直接作用于芯层中的磁性颗粒，迫使其沿径向方向相互远离。由于磁粒原本呈链状轴向排列，任何相邻磁粒之间的间距增大都会在单位长度内累积成显著的磁粒密度下降，进而导致纤维表面磁通密度降低。反之，若磁粒随机分布，夹层膨胀引起的间距变化会被各向同性稀释，对宏观磁密几乎无影响。因此，磁粒的轴向排列与夹层的径向溶胀之间构成了第一重协同：排列方式放大了溶胀的调控效果，使微小的体积变化得以转化为可感知的性能差异。

10、更为关键的协同发生在响应夹层内部。该夹层包含至少一种能够同时响应温度和湿度的材料，这意味着它并非简单的单一响应叠加，而是通过材料设计实现了温湿双信号的联合感知。在实际使用中，人体出汗总是伴随着皮肤温度升高，二者高度关联但又不完全同步。单一温敏材料可能在温度达到阈值时立即响应，但若湿度尚未升高，则可能过早触发调节，导致正常状态下磁密不足；单一湿敏材料则可能因汗液蒸发滞后而响应延迟。本发明通过在同一夹层中整合温敏和湿敏两种响应机制，使得只有当温度与湿度均达到或超过某一组合条件时，夹层才充分溶胀，从而实现更贴近人体生理变化的“按需调节”。这种双信号协同避免了误触发或响应不足，确保了纤维在不同热湿组合下的智能适配。

11、更进一步，响应夹层与芯层、鞘层之间还存在第三重协同。鞘层作为外层，其首要功能是维持纤维的结构形态，防止夹层过度溶胀导致纤维解体。然而，鞘层的弹性模量和厚度需要精心匹配：若鞘层过厚或过硬，会抑制夹层的溶胀变形，使响应失效；若过薄或过软，则无法提供足够的回弹力，导致夹层在降温降湿后无法恢复到原始尺寸，从而丧失可逆性。本发明的鞘层材料选择和厚度设计恰好平衡了约束与顺应，使夹层既能自由膨胀以调控磁密，又能在环境恢复正常后被鞘层弹性牵引复位，保证多次循环的可靠性。这一结构-材料-功能的耦合，使得整个纤维成为一个有机的自适应系统，而非各层的简单堆叠。

12、从技术效果来看，本发明的纤维在高温高湿环境下能够显著降低表面磁通密度，从而减轻用户的灼热感和闷热感；而在正常温湿条件下，磁密恢复至较高水平，确保磁疗效果不受影响。这种“夏降冬满”的自适应特性，是现有任何单一响应材料或简单共混结构所无法实现的。现有技术中，即使有人尝试将温敏材料加入磁性纤维，也未能解决磁粒间距调控的效率问题，更未考虑到温湿双信号的协同必要性。本技术通过将定向排列的磁性芯层、双响应夹层以及保形鞘层三者有机结合，创造性地利用了夹层溶胀-磁粒间距-表面磁密之间的因果链条，并以轴向排列作为放大杠杆，最终实现了无需外部能源、全被动式的智能磁密调节。

13、作为优选，所述响应材料包括温敏聚合物和湿敏聚合物，所述温敏聚合物在温度高于所述第一阈值时溶胀，所述湿敏聚合物在湿度高于所述第二阈值时溶胀。

14、现有技术中，温敏聚合物（如pnipam）和湿敏聚合物（如cmc-li）各自被用于不同的功能纤维领域，但从未有人将其组合并置入磁性纤维的夹层中用于调控磁粒间距。本领域技术人员在面对“高温高湿导致用户不适”这一问题时，通常倾向于优化纤维的透气性或降低静态磁密，而非引入复杂的双响应机制。将两种性质迥异的响应材料共混或分层集成，还需解决相容性、交联匹配以及溶胀行为互不干扰等技术难点。

15、而本特征则将抽象的“双响应能力”落实为具体的材料组合，使得纤维能够同时感知温度上升和湿度增加两个独立的环境信号，并在任一条件达到阈值时触发夹层溶胀。与单一响应材料相比，这种设计更贴合人体实际的热湿变化规律。夏季出汗时皮温与湿度往往同步升高，但二者并非严格绑定；若仅依赖温敏材料，可能在湿度未升高时提前调节，削弱正常状态下的磁疗效果；若仅依赖湿敏材料，则可能因汗液蒸发滞后而响应迟缓。通过将两种响应机制共存于同一夹层，纤维实现了“任一超标即调节”的冗余保障，同时避免了单一材料的误判或延迟。

16、另外，需要进行解释的是，本技术所述"温敏聚合物在温度高于第一阈值时溶胀"，是指在夹层的复合体系语境下（即pnipam-co-aac微凝胶与cmc-li湿敏段共存、且夹层处于芯层与鞘层的受限空间中），温度升至阈值以上时，夹层整体表现出体积增大的溶胀行为，由此推动磁粒间距增大。这一宏观溶胀效果是温敏组分与湿敏组分协同、以及夹层空间受限共同作用的结果，而非单纯pnipam链段在水中的经典塌陷行为。因此，此处"温敏聚合物"可以进一步限定为"在夹层复合体系中升温表现为溶胀的温敏聚合物"。

17、作为优选，所述温敏聚合物为聚(n-异丙基丙烯酰胺)或其共聚物，所述湿敏聚合物为羧甲基纤维素锂或其它离子型纤维素衍生物。

18、作为优选，所述温敏聚合物为n-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸的共聚物；其中，

19、n-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸的摩尔比为8:2至9.1:1，所述温敏聚合物的最低临界溶解温度为31.5℃至32.5℃。

20、作为优选，所述湿敏聚合物为羧甲基纤维素锂，其在相对湿度大于60%时发生溶胀。

21、作为优选，所述响应夹层中，所述温敏聚合物与所述湿敏聚合物通过化学交联形成网络结构。

22、现有技术中，温敏聚合物和湿敏聚合物通常以物理共混或分层涂覆的方式使用，本领域技术人员在面对“如何将两种响应材料稳定集成”的问题时，倾向于认为物理混合足以满足需求，或者担心化学交联会抑制各自的响应灵敏度。然而，本发明恰恰利用了交联的协同效应，即通过选择带有互补官能团的温敏与湿敏聚合物（如羧基与羟基），在适当的交联密度下，既保留了各自独立的响应能力，又实现了结构一体化。

23、本技术这种交联网络将两种性质不同的响应材料固定在同一三维骨架中，使它们在溶胀-收缩循环中保持空间上的紧密耦合，避免因反复形变导致的相分离或材料流失。这种结构确保了夹层在每次响应时都能以协调一致的方式膨胀和收缩，从而稳定地调控磁粒间距；同时，交联限制了单个聚合物的过度溶胀，使体积变化更加均匀可控，避免了局部应力集中对纤维完整性的破坏。

24、作为优选，所述磁性颗粒为fe3o4@sio2核壳结构超顺磁纳米颗粒，其粒径为80nm至120nm。

25、作为优选，所述芯层中磁性颗粒的质量分数为25%至35%，所述聚合物基质中包含有向列相液晶分子。

26、向列相液晶分子在熔融或溶液状态下具有长程取向有序性，在纺丝过程中施加外场（如脉冲磁场或剪切力）时，液晶分子会优先沿场方向排列，从而诱导分散其中的磁性颗粒沿同一方向定向排列。这种基质的取向能力远优于普通各向同性聚合物，后者仅依靠流体动力学效应难以实现磁性颗粒的高度有序排列。因此，液晶高分子充当了“分子级导轨”，使磁性颗粒的轴向排列更加规整、高效，且排列稳定性更高。

27、而本领域技术人员在制备磁性纤维时，通常选用通用热塑性聚合物（如聚氨酯、聚乙烯等）作为基体，因为这些材料加工方便、成本低廉。将向列相液晶分子引入芯层，意味着需要额外考虑液晶的相转变温度、与磁性颗粒的相容性以及与夹层材料的界面结合等问题，增加了工艺复杂度。然而，正是这种看似“绕路”的选择，带来了意想不到的效果：液晶分子不仅提升了磁粒排列的有序度，还因其自身的各向异性热膨胀行为，在与响应夹层配合时，可能进一步放大磁粒间距对夹层溶胀的敏感度。

28、作为优选，所述鞘层的材料为热塑性聚氨酯或其它柔性聚合物，所述鞘层中还含有纳米氧化锌或其它抗菌剂。

29、第二方面，本发明还提供了一种制备所述的温湿双响应型磁性复合纤维的方法，包括以下步骤：

30、-提供芯层纺丝液、响应夹层乳液和鞘层纺丝液，所述芯层纺丝液包含磁性颗粒和聚合物基质，所述响应夹层乳液包含至少一种响应材料，所述鞘层纺丝液包含柔性聚合物；

31、-采用同轴静电纺丝工艺，将所述芯层纺丝液、响应夹层乳液和鞘层纺丝液分别通过同轴喷丝头的内层通道、中层通道和外层通道同时挤出，并在纺丝过程中施加轴向脉冲磁场，使芯层中的磁性颗粒沿纤维轴向定向排列；

32、-收集得到的同轴三层结构纤维，并进行热处理，使响应夹层中的响应材料发生交联，形成网络结构。

33、第三方面，本发明还提供了一种所述的温湿双响应型磁性复合纤维的应用，所述纤维用于编织磁疗穿戴产品的贴肤层。

34、因此，本技术的有益效果主要体现在以下几个方面：

35、（1）纤维能够根据人体皮肤温度或环境湿度的变化自动调节表面磁通密度，在高温高湿条件下磁密显著降低，有效缓解磁疗穿戴产品的灼热感和闷热感，提升用户舒适度；在正常温湿条件下磁密自动恢复，确保磁疗效果不受影响，实现了“夏降冬满”的智能自适应；

36、（2）这种调节完全被动式完成，无需外部电源或控制系统，结构简单可靠，适合长期贴身佩戴；

37、（3）通过响应夹层中温敏与湿敏材料的化学交联网络设计，纤维在多次温度-湿度循环后仍能保持稳定的响应能力和磁密恢复性能，具有良好的耐久性和可逆性；

38、（4）芯层中磁性颗粒沿纤维轴向定向排列的设计，使得夹层微小的体积变化即可被放大为显著的磁密变化，提高了响应效率，降低了材料用量和成本；

39、（5）鞘层材料的选择不仅维持了纤维的结构完整性，还赋予了纤维抗菌、抗紫外线等附加功能，拓展了其在医疗健康、智能穿戴等领域的应用前景。