螺旋结构(Mater Horiz):基于超拉伸螺旋导电纱的双功能热管理纺织品

文摘   2024-11-29 09:00   山东  
速读
个人保健和热湿舒适性是日常生活中可穿戴电子的重要考虑因素,用于日常环境的下一代个人热管理纺织品引起广泛关注。然而,开发穿着舒适、具有运动稳定性和环境适应性的多功能个人热管理(PTM)纺织品仍然存在挑战。基于此,东华大学许福军团队提出了一种基于具有应变-电稳定性的超拉伸螺旋导电复合纱线(SCCY)以制备三明治结构PTM纺织品。SCCY由碳纳米管/聚乙烯吡咯烷酮/水性聚氨酯和拉伸变形纱通过浸轧、加捻、卷绕和热定型工艺制成。PVP不仅促进了CNT和湿纺纤维之间的界面键合,还能与WPU构建了强氢键相互作用,从而提高了结构稳定性和稳健的电气性能。得益于优化的螺旋复合结构,SCCY表现出快速的热响应(8 秒内达到130 °C)、长期耐用性(1500 次循环)和大变形下优异的热稳定性(ΔT/T0≈8.4%,应变500%)。进一步地,将基于SCCY织造的可拉伸电热织物与弹性织物、热致变色层组装在一起,将温度可视化和动态温度调节集成到纺织品,不仅具有辐射冷却和焦耳热双重热调节模式,而且保持了柔韧性和透气性,为下一代可穿戴设备提供了广阔的应用前景。相关工作于2024年以“Dual-functional thermal management textiles for dynamic temperature regulation based on ultra-stretchable spiral conductive composite yarn with 500%-strain thermal stability and durability”发表于《Materials Horizons》。

背景

基于PTM设计的新兴纺织品可以实现准确和适当的热舒适性,以满足复杂环境中的个人热需求。基于空气对流、蒸发消散、红外热辐射加热/冷却和热传导控制等原理,已经开发焦耳加热织物、相变温度调节材料、辐射加热/冷却纺织品和汗液管理材料,用于调节个体表面微环境并在正常环境中表现出良好的性能。基于纺织基材的PTM纺织品在拉伸下互连的导电网络会分解,不理想的拉伸性能严重降低了可穿戴电子设备的灵敏度和功能,特别是在复杂和户外场景。PTM材料需要在柔韧性和大应变以及由于人类活动而引起的复杂小气候变化下而具有稳定的性能。此外,还需要解决温度调节问题,以防止在长期佩戴过程中出现热失控,PTM纺织品在复杂和户外场景中实现高应用灵活性、多功能性、易控性仍然具有挑战性。
此外,所需的功能可以通过嵌入、缝纫和编织集成到 PTM 纺织品中,而不会损失柔韧性、拉伸性和透气性,同时具有多种可变形状、高柔韧性、出色的加工性和耐磨性的纤维基可穿戴电子产品在下一代可穿戴设备中特别有前途。因此,由于工作机制不同且独立,使用高效节能的方法在一个可穿戴系统中实现同时从事热舒适调节和多环境适应性的可穿戴电子设备是一个巨大的挑战。

表征与分析

SCCY的制备方法如下:DTY首先浸渍到CNT/WPU复合整理液,通过进一步的加捻、卷绕和干燥工艺获得CNT/WPU涂层纱(CWCY)。DTY 是一种蓬松的纱线,由具有均匀间隙的规则卷曲的PET纤维组成,它允许整理液渗透到单根纤维之间。PVP作为一种水性粘合剂,增强了WPU与DTY之间的结合。同时,CNT和WPU之间的氢键交联形成了强大的内部和涂层结构,有助于CWCY的优异机械性能。进一步地,通过沿中心轴紧密缠绕 CWCY并在180 °C下退火3 h以进一步制备SCCY,分子重新排列以获得更有序的晶体结构。与CWCY相比,热退火后复合纱的表面孔洞明显减少,结构更加紧凑和均匀,增强了WPU和CNTs网络之间的相互作用。此外,热退火后复合纱的直径减小3.6%,电阻降低16.5%,复合纱的体积收缩和更少的表面孔促进了结构的致密化,从而进一步提高了导电性。T-CWCY的拉伸强度与CWCY相比提高了56.3%(从128 MPa增加到201 MPa),在获得螺旋结构后,SCCY 不仅表现出与 T-CWCY 相似的拉伸强度,而且还实现了最大伸长率为 800 ± 50% 的超拉伸性。SCCY 可以承受100%应变的长期循环拉伸,即使在500次循环后,SCCY的应力保持率仍高达84%,表现出优异的抗拉伸疲劳性能。

由于实际应用中的机械输入和复杂环境,可拉伸导体在理想情况下无法执行拉伸应变变形。PVP 和 WPU 之间产生的氢键赋予 CNT/WPU 导电层对恶劣环境的高度稳定性,使 SCCY 能够抵抗外部温度和相对湿度的变化。长期电气稳定性是可拉伸导体的另一个不可或缺的标准,SCCY 的电阻在 500 次拉伸循环中以 50% 的应变几乎保持不变,当应变增加到 100% 时,电阻变化率略有波动但最大变化不超过 10%。在 500% 拉伸范围内,SCCY 表现出相对较小的电阻变化,而当应变超过 500% 时则明显增加。经有限元分析可知,在 0–500% 应变范围内,第一主应变随拉伸应变的增加而略有增加,主要集中在弯曲曲率最大的螺旋截面内圆侧,此时最大的变形是螺旋支架的结构变形,分散了变形产生的拉力,而不会破坏 CNT 导电网络,表现出应变不敏感的特性。当拉伸应变超过 500% 时,应力集中破坏了导电网络,电阻显著增加。纱线内圈在 500% 应变的导电层与 0% 应变下的导电层一致,没有出现微裂纹或滑移,从而在大应变下保持了连续的导电路径和稳定的电性能。当电子穿过纳米复合材料时,由于加速电子和声子的非弹性碰撞而产生焦耳能量,与报道的可拉伸电热元件相比,SCCY 显现出超高的伸长率和可忽略不计的电热变化。

在施加各种电压后,SCCY的加热温度在不到 8 s的时间内达到最高。由于优异的导电性和导热性,SCCY 表现出低触发电压、快速响应时间和高电热温度。SCCY 的温度在步进和循环电压下保持稳定和变化,表明在各种施加电压下具有精确的可控性和耐久性,并在大变形下仍表现出优异的电热性能。SCCY 加热器在 0–300% 的应变下表现出相似的时间变化温度曲线,即使在 500% 的极端应变下温度变化仅为 8.4% 左右,归因于稳定的导电网络和大变形下的高焦耳热转换效率。

基于较大的温度变化和快速的温度响应,成功制备具有温度可视化和动态温度调节功能的夹层型可拉伸热管理纺织品 (STMT),由三部分组成:基于 SCCY 的可拉伸电热织物、弹性织物和热致变色层。当底部电热织物的温度发生变化时,顶部热致变色层的分子链分解,然后产生不同的颜色响应。STMT 可以在不同温度下实现各种颜色的可逆变化,从而实现温度可视化,即使在可拉伸状态下也可实现稳定的颜色变化。热致变色前后的色差(ΔE*)越大,两种颜色之间的差异就越大,表明颜色变化前后的颜色变化很明显。从红色 (Re)、绿色 (Gr) 和蓝色 (Bl) 这三种基本颜色开始,通过双色或三色混合进一步调色,可覆盖 CIE 1931 XY 色度图上 26% 的色域。此外,通过将具有不同颜色变化温度的热致变色涂层混合,可以实现与不同温度区间相对应的多级和准确的颜色变化,从而避免长期磨损造成的热失控和灼伤。

应用

  • 关节加热器件:人体关节需要可伸缩的电加热元件,以保证人体运动的灵活性。随着手指关节的弯曲,SCCY 会受到不同程度的拉伸应变,弯曲过程中的最大温度变化也不超过 4%。得益于高弹性和柔韧性,SCCY 可以编织成可拉伸的电热织物。

  • 个人热管理:基于快速热响应、温度可视化和智能热致变色等优势,STMT 可以针对各种场景进行开发。STMT 具有两种热管理模式:主动加热模式和被动冷却模式。在夏季或户外运动中,周围温度足够高触发 STMT 变成浅色,浅色降低了对人体的热辐射程度,从而使佩戴者感觉更凉爽。当环境温度较低时,STMT 通过电加热为身体提供所需的热量,并通过颜色变化准确反映温度范围,有效避免了热处理过程中的低温灼伤。

热辐射与微纳光子学
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