紡織材料為人類提供了不可缺少的物理保護，但還需進一步開發(fā)紡織品的功能，使其在個人健康監(jiān)測、健康護理、智能傳感等領(lǐng)域發(fā)揮更大的價值。銀納米線在新興的可穿戴電子設備方面有很大的潛力。目前，銀納米線的制備方法主要有紫外(UV)光照射法、模板法、溶劑熱法和多元醇法等。紫外光照射法是一種光還原法，只有與紫外光接觸的反應物才能被觸發(fā)并還原為最終產(chǎn)物，容易出現(xiàn)產(chǎn)物不均勻，還原效率低等問題。模板法通過控制模板的形狀來調(diào)節(jié)最終產(chǎn)物的形狀，分為硬模板法和軟模板法。硬模板法具有較強的可控性，但需要預制模板，且純化過程較為復雜。軟模板法的純化過程方便，但產(chǎn)品的形態(tài)難以控制。多元醇法和溶劑熱法工藝簡單，產(chǎn)率高，可規(guī)；a(chǎn)，是目前工業(yè)化生產(chǎn)銀納米線的主要兩種方法。然而，這兩種方法往往需要高溫高壓等條件，且大多引入大量乙二醇、丙二醇或丙三醇等易污染環(huán)境的化學試劑作為還原劑和溶劑。因此，開發(fā)一種簡單、綠色、節(jié)能、無需高溫高壓的方法，在溫和的條件下合成高長徑比的銀納米線，已成為當前銀納米線基柔性可穿戴器件研究熱點之一。
近日，蘇州大學紡織與服裝工程學院邢鐵玲教授、陳國強教授團隊以生物質(zhì)咖啡酸為還原劑和錨定劑，以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）為模板劑，室溫下在棉織物表面原位生成直徑為40~60nm、長度為40~60μm的高長徑比AgNWs。所制備的柔性AgNW/棉織物方塊電阻為0.23Ω/sq，具有優(yōu)異穩(wěn)定的導電性能以及良好的物理性能。此外，AgNW/棉織物在能量轉(zhuǎn)換、壓力/溫度傳感和電磁屏蔽等方面也表現(xiàn)出優(yōu)秀的應用潛力，有望用于靈活、透氣、多功能柔性可穿戴器件領(lǐng)域。
圖1. 多功能AgNW/棉織物的制備
受益于高長寬比的銀納米線網(wǎng)絡，柔性AgNW/棉織物擁有出色的導電性，其片狀電阻為0.23 Ω/sq。當與一個小燈泡（3W）串聯(lián)在一個大約10V的恒定電壓電路中時，小燈泡可以被成功點亮。循環(huán)伏安法（CV）和電化學阻抗光譜法（EIS）測試AgNW/棉織物的電化學性能結(jié)果顯示：AgNW/棉織物電極的CV曲線面積隨著掃描速率的增加而增加，且具有良好的對稱性，表明其在電極/電解質(zhì)界面有明顯的電容行為和良好的電荷傳播。
圖2. AgNW/棉織物的導電性及其電化學特性
低電阻的AgNW/棉織物在給定電壓下顯示出優(yōu)異的焦耳加熱性能。AgNW/棉織物的表面溫度可以在30秒內(nèi)迅速達到穩(wěn)定值。在12V電壓下，AgNW/棉織物的表面溫度從室溫（≈29℃）迅速上升到54.8℃，位于41℃至77℃的合適治療溫度范圍內(nèi)，適合用于可穿戴式熱療保暖和緩解疼痛；AgNW/棉織物在六個電加熱-冷卻循環(huán)內(nèi)表現(xiàn)出可重復的熱反應，并能在近600秒的時間內(nèi)保持極其穩(wěn)定的表面溫度，在實際熱管理應用中具有出色的長期焦耳加熱安全性。
圖3. AgNW/棉織物的電-熱轉(zhuǎn)換特性
由于對太陽光譜的廣泛吸收和局部表面等離子體共振（LSPR）效應，銀納米材料表現(xiàn)出很高的光熱轉(zhuǎn)換性能，這有望實現(xiàn)對太陽能的高效利用。在250 W紫外燈照射下（d = 15 cm），AgNW/棉織物的表面溫度迅速上升，在146 s時達到86.2 ℃的飽和溫度并保持穩(wěn)定，而原棉織物在相同的照射時間內(nèi)僅達到32.4℃。與原棉織物相比，AgNW/棉織物具有明顯的光熱轉(zhuǎn)化性能，約為原棉織物的2.66倍。在恒定的照射強度下，經(jīng)歷重復多次光照-冷卻過程的AgNW/棉織物再次通過光熱轉(zhuǎn)換達到的飽和溫度值基本保持不變，顯示了該器件作為可穿戴加熱器的加熱穩(wěn)定性、可調(diào)節(jié)性和安全穩(wěn)定性。
圖4. AgNW/棉織物的光熱轉(zhuǎn)換性能
得益于穩(wěn)健的導電網(wǎng)絡，AgNW/棉織物表現(xiàn)出優(yōu)異的壓力傳感性能。AgNW/棉織物壓力傳感器在不同壓力下電流-電壓（I-V）曲線的斜率隨著施加的壓力逐漸增大，并與壓力的增加呈正相關(guān)，這意味著AgNW/棉織物壓力傳感器的電阻隨著壓力的增加而減小。AgNW/棉織物壓力傳感器的相對電阻變化與施加壓力（0-31.2千帕）之間的關(guān)系曲線可分為三個區(qū)間。在0 - 5 kPa的外部壓力下，傳感器顯示出S1= - 53% kPa-1的高靈敏度，這可以歸因于棉纖維的微納米多孔結(jié)構(gòu)在外部壓力下的輕微壓縮和變形。在5 - 12.5 kPa的壓力范圍內(nèi)，靈敏度約為S2= - 12.8% kPa-1，這得益于銀納米線相互之間或銀納米線與纖維之間在較高壓力下的緊密結(jié)合，形成銀納米線高效導電網(wǎng)絡。而在12.5-31.2kPa的外部壓力下，靈敏度下降到-5.6% kPa-1。在這種壓力下，穩(wěn)健的銀納米線導電網(wǎng)絡已經(jīng)形成，所以只能觀察到相對電阻的較小變化。AgNW/棉織物傳感器具有很高的靈敏度，甚至可以檢測到加載和卸載植物葉片（73.1毫克）引起的微小變化。當AgNW/棉織物傳感器被貼在志愿者的喉嚨、手指、手腕和膝蓋等身體部位時，AgNW/棉織物傳感器可以實時監(jiān)測和反饋關(guān)節(jié)運動和生理信號（圖5, 6），并顯示出良好的響應性和可重復性。AgNW/棉織物傳感器具有快速響應性、高靈敏度、低檢測限以及優(yōu)異的穩(wěn)定性，將是柔性可穿戴設備領(lǐng)域中極具吸引力的候選產(chǎn)品。
圖5. AgNW/棉織物的壓力傳感性能
圖6. AgNW/棉織物實時健康監(jiān)測
隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展和電子設備向小型化、高功率和高集成化發(fā)展，人們的生活越來越離不開電子設備。電磁干擾（EMI）問題對人類健康構(gòu)成了嚴重威脅。AgNWs可以抑制電磁泄漏，保護電子設備免受磨損，在電磁屏蔽方面有更多的應用。因此，在紡織品中引入銀納米線（AgNWs）可以有效提高紡織品的EMI屏蔽效果。0.225 mm的AgNW/棉織物可以表現(xiàn)出≈38.2分貝的EMI SET，滿足實際工業(yè)應用的要求（EMI SET>20分貝）？紤]到改性織物的厚度只有約0.225毫米，當復合兩層或更多層的改性織物時，可以實現(xiàn)更高的EMI SET。其對電磁波的吸收（SEA）大于對電磁波的反射（SER），是一種基于吸收的EMI屏蔽機制。
圖7. AgNW/棉織物電磁屏蔽性能
綜上所述，該研究展示了一種利用天然多酚咖啡酸在棉織物表面室溫下原位合成銀納米線以及制備多功能AgNW/棉織物的方法。 該研究成果近期發(fā)表在國際重要期刊《Chemical Engineering Journal》上(Chem. Eng. J, 2023, https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144620)。論文通訊作者為蘇州大學紡織與服裝工程學院教授邢鐵玲，第一作者為蘇州大學博士生邢麗麗。該成果得到國家自然科學基金（51973144, 51741301）、江蘇省紡織印染節(jié)能減排與清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心(ERC-Q811580722)研發(fā)資金的支持。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472303351X
