棉花作為一種豐富的天然纖維素，已被廣泛用于可持續(xù)的、親膚的紡織品和服裝，但開發(fā)能夠?qū)Ω鞣N刺激作出反應的智能功能棉織物仍然是人們迫切需要的，同時也是一個巨大的挑戰(zhàn)。在此，成功開發(fā)出智能多響應棉織物，該棉織物具有分層銅納米線交織的 MXene 導電網(wǎng)絡，這些網(wǎng)絡沿 3D 編織織物模板無縫組裝，可實現(xiàn)高效的個人醫(yī)療保健和熱舒適調(diào)節(jié)。堅固的分層交織導電網(wǎng)絡沿 3D 互連織物模板被有機導電聚合物聚（3,4-乙烯二氧噻吩）粘合和保護，以增強界面粘附和環(huán)境穩(wěn)定性。受益于堅固的多響應分層交織導電網(wǎng)絡，智能棉織物對各種外界刺激（光/電/熱/溫度/壓力）表現(xiàn)出實時響應，并且可以準確識別和監(jiān)測人體活動的細節(jié)。此外，3D 智能織物的多孔結(jié)構(gòu)對相變材料 PEG 產(chǎn)生了強大的毛細力和限制作用，從而表現(xiàn)出廣泛的相變溫度范圍，可有效調(diào)節(jié)熱舒適度。在用透明氟硅樹脂進一步封裝后，智能棉織物表現(xiàn)出優(yōu)異的自清潔性能和防水/防油性能。智能多響應棉織物在下一代可穿戴系統(tǒng)中具有巨大的應用前景，可用于高效的個人醫(yī)療保健和熱管理。
圖 1. 用于個性化醫(yī)療保健和熱管理的智能多響應棉織物。（a）天然纖維素衍生的棉纖維和紡織品的示意圖。（b）用于個性化醫(yī)療保健和熱管理的智能多響應棉織物的示意圖。（c）具有 CuNWs-MXene 3D 導電網(wǎng)絡的智能多響應棉織物的制備過程和結(jié)構(gòu)示意圖。插圖是原始平紋棉織物、用 CuNWs 處理的樣品、用 CuNWs、MXene 和 PEDOT 處理的樣品以及 PEG 浸漬后的最終樣品的照片。
圖 2. (a) CuNWs 溶液的光學照片。(b,c) 不同放大倍數(shù)的針狀 1D CuNWs 的 SEM 圖像。(d f) 不同放大倍數(shù)的 CuNWs 的 TEM 圖像。(g) 分散良好的 MXene 溶液的光學照片。(h) 手風琴狀 MAX 相的 SEM 圖像。(i) 通過蝕刻 MAX 相 Ti3AlC2 獲得的 MXene 納米片的 TEM 圖像。(j) CuNWs 與 MXene 交織的 3D 分級互連導電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3. (a c) 棉織物、CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton 織物和 CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton 織物的光學顯微鏡照片。(d f) 不同放大倍數(shù)下連接到 MXene 納米片的 CuNWs 納米線導電網(wǎng)絡的 SEM 圖像。(g) CuNWs 交織 MXene 導電網(wǎng)絡的 SEM 圖像和相應的 EDS 元素映射圖像。(h,i) 智能多響應棉織物的水和油接觸角。(j) 具有自清潔功能的智能多響應棉織物上的茶、可樂、牛奶和食用油的照片。
圖 4. （a）有機相變材料PEG 4000的差示掃描量熱（DSC）曲線。不同光功率密度（0.1、0.2、0.3 W/cm2）下（b）CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton織物和（c）CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton織物的溫度變化。（d）不同功率密度下棉織物、CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton織物和CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton織物的穩(wěn)態(tài)溫度。（e）光功率密度為0.2 W/cm2時棉織物、CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton織物和CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton織物的溫度變化對比，（f）其能量釋放過程局部放大圖。 （g）PCM集成智能多響應棉織物的儲熱和溫度調(diào)節(jié)示意圖。
圖 5. 智能 CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton 織物的電熱性能。（a）對智能 CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton 織物施加電刺激的示意圖。（b）智能 CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton 織物隨不同電壓（1-6 V）的溫度曲線，（c）不同電壓下相應的紅外熱圖。（d）6 V 輸入電壓下 CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton 織物的溫度時間循環(huán)曲線。（e）智能 CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton 織物在不同狀態(tài)（平整、彎曲和扭曲）下作為導電路徑時小燈泡的亮度比較。（f）4 V 電壓下智能 CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton 織物在不同狀態(tài)（平整、彎曲和扭曲）下的溫度響應曲線以及相應的紅外熱像。 (g)不同電壓刺激下CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton織物的穩(wěn)態(tài)溫度及對應的最大升溫速率。(h)6 V電壓刺激下CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton織物與CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton織物溫度變化對比。
圖 6. 智能 CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton 織物對機械應力的刺激響應。（a）智能織物在一系列從 5% 到 50% 的逐步拉伸下相對電阻的變化。（b）智能織物在不同彎曲狀態(tài)（從 0 到 50%）下的電流電壓曲線。（c）在頻率為 50 至 300 mm/min 的循環(huán)彎曲/釋放下的相對電阻變化。（d）智能織物在超過 1300 次循環(huán)的彎曲載荷下的響應性能。智能 CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton 織物作為應變傳感器在人體運動檢測中的可穿戴應用。檢測人體運動時的實時相對電阻變化。（e）手指彎曲，（f）肘部彎曲，（g）手腕彎曲。
相關科研成果由青島大學Jinlei Miao等人于2024年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces（https://doi.org/10.1021/acsami.4c13999）上。原文：Smart Green Cotton Textiles with Hierarchically Responsive Conductive Network for Personal Healthcare and Thermal Management
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c13999
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
