銀納米線在電子紡織品中的應(yīng)用

銀納米線在電子紡織品中的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)藝術(shù)1堅持1。2MethodsforpreparingAgNWsconductivetextiles1運動傳感器模塊隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品逐漸微型化、集成化和柔性化和人們對可穿戴紡織品需求的提高近年來,E-textiles在全球得到飛速的發(fā)展,國內(nèi)外眾多公司和科研機(jī)構(gòu)開始致力于E-textiles的研發(fā),市場上已經(jīng)出現(xiàn)不少商業(yè)化的產(chǎn)品。例如Nike公司推出一款跑步數(shù)據(jù)傳感器,將無線傳感器放進(jìn)Nike+運動鞋鞋墊下的內(nèi)置凹槽中,然后連接iPhone,即可記錄運動信息。美國知名服裝品牌RalphLauren與加拿大公司OMsignal合作,發(fā)布了一款售價高達(dá)295美元的智能運動衣PoloTech。PoloTech的關(guān)鍵在于面料中嵌入的導(dǎo)電銀纖維和左胸下方的黑盒子,其內(nèi)置的傳感器能夠檢測到心跳、呼吸、運動強(qiáng)度和消耗熱量等運動數(shù)據(jù),然后借助于黑盒子中的藍(lán)牙,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)上。E-textiles包括紡織品、電子元器件、導(dǎo)電材料和電源等部分,其中導(dǎo)電材料在E-textiles中具有極其重要的作用,主要用于傳輸電能和信號銀納米線(AgNWs)具有高比表面積、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、透光、延展性、機(jī)械強(qiáng)度和柔性等性能2法國銀行電影紡織的制造方法正如前面所述,E-textiles的基礎(chǔ)在于紡織品的導(dǎo)電性能。AgNWs具有超高的長徑比2.1導(dǎo)電紡織品的制備共混法即首先在成纖高聚物溶液中添加AgNWs,混合均勻后采用熔融紡絲、濕法紡絲、干法紡絲、靜電紡絲和模板法等方法制備導(dǎo)電紡織品。目前共混紡絲法僅見于韓國延世大學(xué)Lee課題組2015年發(fā)表于AdvancedFunctionalMaterials的關(guān)于制備可拉伸彈性纖維的文獻(xiàn)報道不同于上述濕法紡絲,韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)納米粒子研究中心和首爾大學(xué)的研究人員2.2agnws導(dǎo)電紡織品的制備方法后整理法是通過浸漬、旋涂等方法,使AgNWs吸附在紡織品表面形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)從而得到導(dǎo)電紡織品。目前AgNWs導(dǎo)電紡織品的制備方法主要以后整理法為主,已報道的纖維類型包括:棉、滌綸(聚對苯二甲酸乙二醇酯PET)、粘膠、尼龍(聚酰胺PA)、聚氨酯(PU)、棉/氨綸包芯紗等。鑒于棉纖維含有眾多羥基活性基團(tuán),其附著AgNWs的效果較好,因而一般不需要對棉纖維進(jìn)行預(yù)處理即可直接吸附AgNWs。伊朗伊斯蘭自由大學(xué)Nateghi等國內(nèi)蘇州大學(xué)修阿男毛細(xì)現(xiàn)象是指浸潤液體在毛細(xì)管里升高的現(xiàn)象和不浸潤液體在毛細(xì)管里降低的現(xiàn)象。能夠產(chǎn)生明顯毛細(xì)現(xiàn)象的管就叫作毛細(xì)管。毛細(xì)作用在自然界普遍存在,毛細(xì)管中液柱的上升高度h可以通過式(1)來計算:其中γ-表面張力,θ-接觸角,ρ-液體密度,g-重力加速度,r-毛細(xì)管半徑。眾所周知,紡織品是一種多孔纖維材料,由數(shù)量眾多的原纖(fibril)組成,原纖之間存在大量近似平行的孔洞形成毛細(xì)管,因而紡織材料可以依靠毛細(xì)作用進(jìn)行納米材料的組裝。南京郵電大學(xué)張自強(qiáng)合成纖維由于其活性基團(tuán)較少,對AgNWs的吸附效果較差,因而往往需要使用物理或者化學(xué)的方法對其進(jìn)行改性以增加纖維材料的浸潤性,從而獲得更好的吸附效果。加拿大滑鐵盧大學(xué)Atwa等后整理法制備步驟簡單,可重復(fù)性好,能夠大規(guī)模批量生產(chǎn),而且使用不同的整理次數(shù)能夠有效調(diào)整AgNWs在紡織品表面的數(shù)量和導(dǎo)電性能,是一種非常有效的制備AgNWs導(dǎo)電紡織品的方法。但是后整理法也存在結(jié)合牢度偏弱的缺陷。從上述后整理法的文獻(xiàn)可以看出,部分文獻(xiàn)沒有測試耐洗性能為了改善AgNWs在紡織品表面的附著力,一些研究者引入交聯(lián)劑或者在AgNWs外層再包裹一層納米材料3agnws改性紡織品的制備方法AgNWs具有超高的長徑比,將AgNWs涂敷在紡織品的表面,AgNWs之間形成相互接觸、貫通的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),因而AgNWs改性后的紡織品導(dǎo)電性能優(yōu)異。而正是其優(yōu)異的導(dǎo)電性能、容易制備、原料易得、柔性等特性,使得AgNWs改性后的紡織品可用于保暖紡織品、電熱紡織品、柔性電子傳感器、超彈性導(dǎo)電復(fù)合纖維、自供能紡織品等領(lǐng)域,而且AgNWs紡織品還可以獲得良好的抗菌、抗紫外性能,從而進(jìn)一步提升了E-textiles的功能性。3.1agnws導(dǎo)電紡織品的制備方法巨大的能源消耗是人類21世紀(jì)面臨的主要問題之一,全球高達(dá)47%的能源被用于室內(nèi)取暖。減少室內(nèi)取暖能夠很大程度上減少化石能源的消耗。個人熱管理(personalthermalmanagement)式紡織品能夠針對人體和特定的環(huán)境進(jìn)行溫度調(diào)控,與傳統(tǒng)調(diào)控室內(nèi)溫度的方法相比,個人熱管理有著更高的能量利用效率眾所周知,人體的多數(shù)熱量都是以紅外線的形式向外輻射散失,單位時間、單位面積輻射的能量可以通過斯特藩-玻爾茲曼定律(Stefan-Boltzmannlaw)即式(2)來計算。其中j為能量通量,T為溫度,σ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù),ε為材料的發(fā)射率,其值介于0~1之間。相同的溫度條件下,低發(fā)射率材料的輻射能量小于高發(fā)射率材料,因而低發(fā)射率材料的輻射絕緣性能更好。銀的發(fā)射率為0.02,而常用紡織材料的發(fā)射率大多位于0.75~0.9,因此AgNWs紡織品的總發(fā)射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未改性紡織品,可以更好地減少熱量損失2014年斯坦福大學(xué)崔毅課題組除了被動保溫之外,這種個人熱管理式的紡織品還可以連接外部電源進(jìn)行主動加熱。其原理主要是基于焦耳定律(Joule’sLaw),即電流通過導(dǎo)電材料產(chǎn)生的熱量跟電壓和通電時間成正比,跟電阻成反比,如式(3)所示。其中Q-熱量,U-電壓,R-電阻,t-通電時間。傳統(tǒng)電熱紡織品的制備方法是將不銹鋼等金屬材料嵌入到織物中,具有厚重、容易被腐蝕和氧化、價格昂貴和可加工性差等缺陷。而AgNWs紡織品可以很好地克服上述弊端。從公式(3)可以看出,在電壓(U)固定的情況下,焦耳熱(Q)與電阻(R)成反比。由于AgNWs導(dǎo)電紡織品的電阻值小,因而在同等電壓和相同時間下,產(chǎn)生的熱量更多。崔毅課題組制備的AgNWs紡織品,0.9V電壓下即可加熱到38℃。此后,基于AgNWs的保暖紡織品和電熱紡織品的研究逐漸增多AgNWs基紡織品除了用于保暖和加熱外,還可用于熱療。熱療具有悠久的歷史,最早可追溯到公元前5000年,是一種適用于消腫、止痛、疏經(jīng)通絡(luò)、改善血液循環(huán)甚至腫瘤治療的常規(guī)物理療法。目前商品化的熱療設(shè)備有熱療枕、熱療按摩棒、熱療儀等。但是這些熱療設(shè)備大多笨重,無法隨身攜帶。而常用的熱療貼與皮膚的貼合性差,使用一段時間后容易脫落。韓國IBS納米粒子研究中心和首爾大學(xué)的研究人員3.2電子傳感器基基因組織傳統(tǒng)的壓力傳感器大多是基于半導(dǎo)體和金屬材料,其便攜性、柔韌性較差。與傳統(tǒng)的壓力傳感器相比,柔性壓力傳感器具有生物相容、可拉伸、透明等諸多優(yōu)勢,在醫(yī)學(xué)、觸摸屏、電子皮膚(Electronicskin,E-skin)等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景柔性電子傳感器的基底材料需要滿足輕薄、柔性和可拉伸等特性華南理工大學(xué)劉嵐課題組在上述工作的基礎(chǔ)上,該課題組使用2mg/mL的氧化石墨烯處理棉條,80℃烘干30min后,用水合肼還原得到還原氧化石墨烯(rGO)導(dǎo)電棉條,然后與AgNWs導(dǎo)電棉條復(fù)合3.3超彈性導(dǎo)電復(fù)合纖維超彈性導(dǎo)電纖維是指在劇烈的拉伸條件下,纖維仍然能夠保持高導(dǎo)電性能AgNWs具有優(yōu)異的導(dǎo)電、耐曲撓性、延展性、柔性和機(jī)械強(qiáng)度,是一種理想的超彈性導(dǎo)電復(fù)合纖維填充材料韓國延世大學(xué)Lee課題組3.4集中成紡織品的原料配比所有的E-textiles都需要電源,而傳統(tǒng)的電池重量和體積大,不利于集成到紡織品上。自供能(selfpowered)技術(shù)從環(huán)境中收集能量,然后轉(zhuǎn)化為電能,實現(xiàn)能量自給3.4.1pet和fas/pdms佐治亞理工學(xué)院王中林2012年最早研發(fā)出了TENG。TENG利用靜電感應(yīng)和摩擦生電的原理,通過靜電感應(yīng)和摩擦生電之間的耦合,將材料摩擦?xí)r產(chǎn)生的電荷導(dǎo)出到外電路東華大學(xué)王宏志課題組TENG主要分為電極材料和摩擦材料,該課題組以鋁箔、AgNWs導(dǎo)電尼龍布作為電極,PET和FAS/PDMS作為正負(fù)極摩擦材料,通過PET和FAS/PDMS這兩種摩擦材料的接觸/分離收集機(jī)械能。在壓縮的狀態(tài)下,PET和FAS/PDMS接觸摩擦,電子從PET流向FAS/PDMS,PET帶正電,FAS/PDMS帶負(fù)電。釋放壓力后,電子從AgNWs導(dǎo)電尼龍布流向鋁箔,然后觀察到電信號。當(dāng)兩個摩擦材料的表面再次接觸后,靜電平衡再次被打破,電子通過外電路從鋁箔回流到AgNWs導(dǎo)電尼龍布,然后可以檢測到相反的電信號。因此通過連續(xù)的接觸/分離,TENG產(chǎn)生持續(xù)的交流電,其最大瞬時功率密度為2.8W/m福州大學(xué)李福山課題組3.4.2柔性太陽能器件太陽能是一種取之不竭、用之不盡的綠色能源,開發(fā)一種高效、成本低廉的可穿戴柔性太陽能器件對于E-fabrics意義重大。目前盡管纖維狀的能源器件已經(jīng)得到了飛速發(fā)展韓國漢陽大學(xué)Kim和福州大學(xué)李福山另辟蹊徑,研制了一種不同于傳統(tǒng)的纖維狀光電器件,基于透明導(dǎo)電滌綸織物的聚合物太陽能電池4循環(huán)使用與洗滌前后導(dǎo)電能的變化AgNWs基E-textiles在傳感器、可穿戴器件、高檔紡織品等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。但是該領(lǐng)域的研究才剛剛開始,仍然存在一些亟待解決的問題:(1)制備導(dǎo)電紡織品的關(guān)鍵在于將導(dǎo)電納米材料與柔性紡織品有效結(jié)合,并且經(jīng)過多次循環(huán)使用和洗滌后,導(dǎo)電性能不會顯著下降。目前絕大部分研究者主要使用后整理法將AgNWs吸附在紡織品的表面,AgNWs和紡織品之間通過范德華力、氫鍵結(jié)合,缺乏強(qiáng)有力的化學(xué)鍵結(jié)合