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江南大學(xué)王潮霞教授團(tuán)隊(duì) ACS AMI:具有傳感、儲(chǔ)能、電熱能力的多功能織物電子器件
2022-05-11  來源:高分子科技

  可穿戴器件的廣闊應(yīng)用前景極大地刺激了織物電子器件的相關(guān)工程與技術(shù)發(fā)展。將功能材料聚吡咯沉積到織物表面能賦予織物一些特殊性能,且這些性能會(huì)隨著聚吡咯含量的增加而有所提升。然而,因織物自身成分、結(jié)構(gòu)等原因,它們對(duì)聚吡咯的負(fù)載量存在上限。如何在聚合條件相同情況下進(jìn)一步提高織物上聚吡咯的負(fù)載量,這對(duì)于功能織物的性能提升以及實(shí)際生產(chǎn)都有著重要意義。


  近期,江南大學(xué)王潮霞教授團(tuán)隊(duì)通過滴涂法在尼龍織帶的纖維表面搭建針狀β-FeOOH支架(圖1),為后續(xù)聚吡咯的原位生長提供空間,提高了尼龍織帶表面的聚吡咯負(fù)載量以及織物的導(dǎo)電性(圖2)。由于具有較好的導(dǎo)電性以及較多的聚吡咯負(fù)載,PFCNS作為電極表現(xiàn)出更高的電化學(xué)性能(圖3)。采用叉指并聯(lián)形式對(duì)PFCNS進(jìn)行集流,使織物相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行重組,進(jìn)一步提高了所得織物PFCNS的電熱溫度(圖4)。PFCNS還具有應(yīng)變傳感功能,在拉伸和按壓情況下都有一定的電阻變化。在將PFCNS用于監(jiān)測膝蓋彎曲活動(dòng)時(shí),由于膝蓋對(duì)PFCNS會(huì)產(chǎn)生拉伸和按壓兩種作用效果,結(jié)合拉伸和按壓兩種電阻變化機(jī)理對(duì)膝蓋活動(dòng)的傳感信號(hào)曲線進(jìn)行了分析(圖5)。


  這項(xiàng)研究為織物纖維的修飾與性能提升、傳感信號(hào)的分析提供了新思路,以Multifunctional Textile Electronic with Sensing, Energy Storing, and Electrothermal Heating Capabilities”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。文章第一作者是江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院的博士生王博,該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。


1. β-FeOOH漿料和PFCNS的制備及FE-SEM 



2. PFCNS的導(dǎo)電性及β-FeOOH提高聚吡咯負(fù)載量的機(jī)理圖 



3. PFCNS與對(duì)照樣PFHNSPNS的電化學(xué)性能測試 



4. PFCNS以及被叉指并聯(lián)集流后的電熱性能測試 



5. PFCNS監(jiān)測坐下-站起過程中的膝蓋活動(dòng)

 

  該工作是團(tuán)隊(duì)關(guān)于電熱、儲(chǔ)能和傳感相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。在實(shí)際生產(chǎn)中,靠加大原料的投入來提升材料性能會(huì)產(chǎn)生更多的成本消耗,如何降低生產(chǎn)成本并提高性能是研究人員需要考慮的。為此,團(tuán)隊(duì)采用成本較低的β-FeOOH對(duì)織物進(jìn)行修飾,以及改變集流方式來進(jìn)一步提高材料的性能。此外,對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行解析是使傳感材料得以應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié),因而采用了多種電阻變化機(jī)理來分析傳感信號(hào)。近兩年來,團(tuán)隊(duì)開展了一系列功能紡織品的研究,例如太陽能熱管理織物(Energy Storage Mater 42, 2021, 636–644)、光熱響應(yīng)織物(Chem Eng J, 419, 2021, 129553)、基于靜電紡絲膜的壓阻傳感器(Chem Eng J, 426, 2021, 131152)、織物基拉伸傳感器(Adv Mater Technol, 7, 2022, 2100675;Chem Eng J, 404, 2021, 126393)、電熱變色織物(ACS Appl Mater Interfaces, 12, 2020, 21854?21862)、光熱變色織物(J Mater Chem A, 9, 2021, 20565–20575)等。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.2c06701

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