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压力感知、热管理和PM2.5过滤功能等集成的多功能电子口罩织物
2020-05-07  来源:高分子科技

  织物基可穿戴设备因其舒适性、透气性、生物兼容性以及耐久性被广泛运用于电子皮肤、健康管理、运动监测和个人热管理等方面。目前主要有两种将可穿戴设备整合到织物中的方式:1)纤维状器件通过编织嵌入织物基底2)织物基底上修饰导电功能材料。简化可穿戴设备与织物的整合过程或生产多功能一体式传感服饰技术越来越成熟,其中传感和热管理因其应用范围广而备受关注,但要以节能的方法将二者集成到可穿戴织物中仍然是一重大挑战。


  电子科技大学于贺副教授和华中科技大学陶光明教授等在Journal of Materials Chemistry C期刊上发表一项合作研究“Multifunctional wearable E-textile via integrated nanowire-coated fabrics”,利用导电的银纳米线(AgNWs)网络节能有效地将传感和加热特性集成到了电子织物中,使其同时兼有压力传感器、良好绝热体、柔性加热器和PM2.5过滤器四种装置的特性,有望在智能织物、空气过滤、健康管理领域得到广泛应用。


图 1多功能电子织物功能示意图


  棉基质的多功能电子织物的结构如图1所示。其底层是涂有高密度AgNW的织物加热器,顶层是有着网孔间隔的双层压力传感织物,除此之外每一层都含有AgNW渗滤网络有效反射人体所产生的红外辐射。通过“浸涂与干燥”工艺可简便地制出AgNW涂层织物,调节浸涂周期或溶液浓控制AgNW的密度,最后将所得各层织物按顺序整合组装得到多功能电子织物。


图 2多功能电子织物压力传感性能测试


  基于纤维/纱线/织物多尺度接触效应,多功能电子织物展现出卓越的压力传感性能。当处于空载状态时,面层织物的AgNWs由于两层之间的网孔间隔无法接触;一旦表面达到足够负载,两层相邻的AgNWs则会产生接触效应(图2b),导致织物电阻减小。实验证明,优化织物网孔间隔与AgNW浸涂周期能有效提高传感器灵敏度(图c-e),在负载0–10 kPa和10–100 kPa时,其灵敏度分别可达3.24×105 kPa-12.16×104 kPa?1。此外,伏安特性曲线、响应速度和可重复性的测试分别在图f-h中显示。该织物作为创可贴用以监测脉搏(图2i),测出正常成年人的脉搏率约为72次/min(图2j),通过减小手腕弯曲角度时监测到电流波形图发生的显著变化(图2k),进一步表明其具有良好的压力传感性能。


图 3多功能电子织物红外性能和绝热性能的表征


  多功能电子织物上的AgNW网络具有纳米孔结构,能有效反射人体红外辐射(8-14um),同时电子织物的多层结构,赋予织物优异的绝热性能。研究团队比较了涂覆不同密度的AgNW的织物,发现增大AgNW密度能显著提高红外反射率(图3b-c)。在维持20℃室温状态下,普通织物激发的红外辐射平均温度为29.3℃,多功能电子织物为22.2℃相比单层AgNW修饰织物低1.4℃(图3d)。织物在外界温度25℃时可稳定维持人体皮肤温度为33℃。同时,测量环境温度维持33℃所需的织物加热器温度的设定点,低设定点对应于更好的织物隔热性能,结果显示多功能电子织物设定点最低,相比普通织物,多功能电子织物可以实现皮肤与织物间的微环境的温度高5℃(图3e),被动绝热性的研究则在图3f-g中展示。


图 4多功能口罩的应用


  将此多功能电子织物应用于口罩中,对快速呼吸过程的监测结果显现电流信号有着平滑的峰值曲线(图4a),可用于生命信号的医用监控。除此之外,过滤性能测试如图4b所示,PM2。5过滤效率超过98%。图4c是用热成像仪测试口罩主动加热模式和在正常条件下被动保暖的效果,多功能电子织物在冬天拥有良好的保暖、防护特性。


  此文展示了一种通过堆叠组装表面浸涂AgNW的织物开发了同时兼有实时压力传感、辐射保暖、焦耳加热和PM2.5过滤功能的多功能电子织物,为多功能可穿戴电子产品的开发和工业生产铺平了道路。 


  参考文献:Lian Y, Yu H, Wang M, et al. Multifunctional wearable E-textile via integrated nanowire-coated fabrics[J]. J. Mater. Chem. C, 2020. DOI: 10.1039/D0TC00372G


  论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/TC/D0TC00372G#!divAbstract


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