电子织物-用于热湿管理的具有Janus梯度蜂窝结构的电子纺织品

科技   科学   2024-09-01 06:22   江苏  


研究背景

电子织物由于能够集成电子元器件使其在人体运动检测、个人防护、医疗保健、人机接口、以及生理信号的实时和长期监测中显示出巨大的应用潜力。由于具有高度的柔韧性、顺应性、透气性,且能够有效传输水分和散发身体热量,因此还能够提供很好的穿戴舒适性。热和湿度不仅影响着人体的可穿戴舒适性,还会干扰可穿戴器件的信号采集稳定性。虽然之前有很多关于热湿管理的报到,但是在不损害电气性能的情况下同时能够调节人体的热和湿度舒适性迄今为止依然是一个巨大的挑战。

创新点

香港理工大学郑子剑团队首次提出了一种热湿管理的电子织物(TMME-textile),能够在保证长期穿戴舒适性的同时还具有优异的电气性能。通过在Janus分级梯度的蜂窝状复合纳米纤维膜上印刷柔性电极集成了润湿梯度、辐射冷却、以及高传感性能的电子织物。具有蜂窝状结构的NFM表现出Janus润湿性,能够单向泵送汗液,保证皮肤不必要的黏附。同时NFM还具有较高的太阳光反射率和中红外发射率,在1kW m-2的太阳光辐照下,可使皮肤温度降低7℃。该工作为开发具有优越的热湿管理能力的下一代电子纺织品开辟了新的可能性,以实现运动检测,并满足户外运动中的人体舒适度要求

文章解析

图1:制备及结构设计。

具有Janus特性的NFM膜由超亲水的PAN/ZnO电纺层和具有疏水梯度的HCPU电纺层组成。NFM具有Janus润湿性以及辐照冷却的特性,作为纺织电子器件的基本基底材料。导电材料包括:金属,液态金属、导电浆料、以及导电织物等,通过蒸发沉积、印刷或者粘合的方式制成导电电路。所制备的纺织电子器件能够用于户外运动检测,同时保证用户的穿戴舒适性。
随机取向的纳米纤维呈现圆柱形,具有串珠结构。ZnO纳米颗粒均匀分布在整个纳米纤维中,同时增加了整体膜的粗糙度以及亲水性,使得PAN/ZnO NFM表现出明显的超亲水特性;正面的蜂窝状结构使得HCPU NFM表现出超疏水性。制备出的蜂窝状梯度结构可以提高毛细管压差,从而增强液体从疏水层向超亲水层的定向传输。所制备的TMME织物不仅具有良好的弯曲回弹性和柔性,还具有很好的拉伸强度。同时,TMME织物还对弯曲和拉伸具有良好的抗疲劳特性,进一步证明了其在可穿戴电子产品中的适用性。
在实际应用场景中,汗液会用TMME织物的疏水HCPU层(与皮肤接触)传输到外部的PAN/ZnO层,最终被蒸发。图中展示了水通过毛细力及蜂窝状结构快速穿透TMME织物并扩散到超亲水的能力。所制备的TMME织物的高定向水传输指数,进一步验证了其显著的高定向水传输性能。

图2:光学特性以及白天辐射制冷能力

在微结构中引入梯度空间填充和梯度折射率能够增强光学和热学性能。所制备的TMME织物的太阳光反射率为98.3%,中红外发射率为89.2%,均高于对应的织物。这是由于ZnO纳米颗粒的高折射率在可见光-近红外范围内产生了强烈的Mie散射,从而减少了从太阳光中吸收的能量。然而,疏水层的梯度蜂窝状网络作为散射单元,在VIS光谱中提供了强的宽带反射率。此外,产生的梯度折射率提高了HBIR发射率,以最大限度地从人体中散发辐射热量。

图3:基于TMME织物的应变传感器用于运动检测

构建了一套完整的基于TMME应变传感器的实时监测系统,具备熟练的热湿管理能力和可靠的传感性能,保证了用户使用的舒适性和便利性。这种全面、可靠、舒适的监控系统为未来的电子纺织品铺平了道路,使用户在运动评估、技能提高、监控能力和协助管理健康方面获得了巨大的好处。

读后感

本文中利用一种简便、可拓展的静电纺丝自组装和图案化印刷技术,成功开发了一种用于室内外运动检测和TMME织物。该织物表现出优异的定向水传输以及热扩散性能,以及高灵敏度的应变传感性能,具有优异传感能力的同时还保证了人体的穿戴舒适性。这项工作为未来基于纳米纤维膜的电子纺织品提供了思路和机会,并拓展了热湿管理电子纺织品在人体运动检测、个人防护、医疗保健、自供电电子以及人机交互等中的应用。

【参考文献】

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202311633?af=R

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