基于三维导电网络智能电子织物的制备及其可穿戴应用研究

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近年来,对健康、医疗等领域的柔性智能可穿戴设备的集成应用研发一直是热门研究领域,并且柔性智能可穿戴电子设备可以实时监测人体身体健康状况或提供其他智能功能,极大地丰富了人们日常生活的需求。然而,实现具有人体健康管理和热舒适管理等功能的可穿戴电子设备仍然是一个巨大的挑战。此外,在传统的薄膜橡胶平面基底上制造可穿戴电子设备会限制其透气性,并导致严重的炎症风险。因此,本文通过在柔弹性非织物基底上设计构筑一种三维导电网络导电织物,可实现其在智能可穿戴领域中的不同方向的应用研究,本文主要工作内容如下:(1)为了保证柔性可穿戴电子器件的耐久性、稳定性以及舒适性,本文通过溶剂热法制备金属纳米材料银纳米线(AgNWs)作为一维导电材料,通过氟化锂(Li F)和盐酸(HCl)刻蚀MAX相制备MXene(Ti3C2Tx)作为二维导电材料,共同构筑导电网络。同时,选择以高弹性的氨纶-丙纶非织造布为基底制备智能导电织物。通过对导电材料进行表征分析,明确导电材料的制备效果,导电性能,尺寸大小以及AgNWs和MXene导电网络搭接的内联结机制。织物基底的性能测试及表征分析等实验结果表明,该弹性基底材料不仅具有优异的力学性能,其断裂伸长率约为650%,断裂强度可达170 MPa,透气性较好(2035 mm/s),特殊的褶皱结构及制备工艺具有一定拒水性,水接触角(WCA)约为112.5°。因此,该基底材料和导电材料是构筑智能导电织物的理想材料,也为后续在智能可穿戴设备方面的应用奠定坚实基础。(2)为提高智能导电织物的电学性能及热学性能,本文以雾化的喷涂方法将高导电性的金属纳米材料AgNWs与新型二维纳米片层过渡金属碳化物MXene结合起来在高弹性基底表面实现导电材料的自组装,其内连接机制则是通过二者表面官能团结合进一步形成氢键构筑三维导电网络体系。利用简单的喷涂-干燥的制备流程,在基底表面实现可拉伸智能导电织物的制备。实验结果表明,该3D导电网络基可拉伸智能织物具有优异的电学性能,重复层层喷涂过程4次后,与仅喷涂相同浓度(2.5 mg/ml)的AgNWs@氨纶-丙纶非织物(APP)的对照实验相比,显示出AgNWs/MXene@氨纶-丙纶非织物(AMPP)更好的电学性能。施加拉伸应变100%,表征其灵敏度的应变系数(GF)高达1085。电热及光热性能测试实验表明,柔性智能导电织物具有良好电热及光热性能。在4 V输入电压1.4 W的输入功率下具有快速的电热响应(30 s,112℃)。在光功率密度为0.3 W/cm~2,150 s持续光照,样品表面温度可达125℃,显示了智能导电织物在可穿戴电子设备应用方面的巨大前景。(3)为实现智能导电织物在可穿戴电子设备的应用,用镀镍导电织物作为电极,利用导电银胶连接智能导电织物作为可拉伸应变传感器,它可以实时监测人体的生理信号以及人体运动信号,例如脉搏、呼吸信号以及手腕弯曲等。而且,通过与热致变色层相结合,柔性智能导电织物可以实现温度可视化焦耳加热器的制备,在不同温度区间显示不同颜色,这一功能的实现可以有效避免皮肤的低温灼伤;进一步地,借助相变材料聚乙二醇4000(PEG4000)赋予智能织物储热调温的功能性,可实现有效的人体热管理。实验结果表明,该柔性智能导电织物具有优异的人体健康监测与热管理的功能应用,能够适应可穿戴电子设备对不同的应用场景的需求,为实现可穿戴电子设备的多功能化提供了一种新颖的思路。
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