棉花作为一种丰富的天然纤维素，已被广泛用于可持续的、亲肤的纺织品和服装，但开发能够对各种刺激作出反应的智能功能棉织物仍然是人们迫切需要的，同时也是一个巨大的挑战。在此，成功开发出智能多响应棉织物，该棉织物具有分层铜纳米线交织的 MXene 导电网络，这些网络沿 3D 编织织物模板无缝组装，可实现高效的个人医疗保健和热舒适调节。坚固的分层交织导电网络沿 3D 互连织物模板被有机导电聚合物聚（3,4-乙烯二氧噻吩）粘合和保护，以增强界面粘附和环境稳定性。受益于坚固的多响应分层交织导电网络，智能棉织物对各种外界刺激（光/电/热/温度/压力）表现出实时响应，并且可以准确识别和监测人体活动的细节。此外，3D 智能织物的多孔结构对相变材料 PEG 产生了强大的毛细力和限制作用，从而表现出广泛的相变温度范围，可有效调节热舒适度。在用透明氟硅树脂进一步封装后，智能棉织物表现出优异的自清洁性能和防水/防油性能。智能多响应棉织物在下一代可穿戴系统中具有巨大的应用前景，可用于高效的个人医疗保健和热管理。
 
 
图 1. 用于个性化医疗保健和热管理的智能多响应棉织物。（a）天然纤维素衍生的棉纤维和纺织品的示意图。（b）用于个性化医疗保健和热管理的智能多响应棉织物的示意图。（c）具有 CuNWs-MXene 3D 导电网络的智能多响应棉织物的制备过程和结构示意图。插图是原始平纹棉织物、用 CuNWs 处理的样品、用 CuNWs、MXene 和 PEDOT 处理的样品以及 PEG 浸渍后的最终样品的照片。


  
图 2. (a) CuNWs 溶液的光学照片。(b,c) 不同放大倍数的针状 1D CuNWs 的 SEM 图像。(d f) 不同放大倍数的 CuNWs 的 TEM 图像。(g) 分散良好的 MXene 溶液的光学照片。(h) 手风琴状 MAX 相的 SEM 图像。(i) 通过蚀刻 MAX 相 Ti3AlC2 获得的 MXene 纳米片的 TEM 图像。(j) CuNWs 与 MXene 交织的 3D 分级互连导电网络结构示意图。
 
 
图3. (a c) 棉织物、CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton 织物和 CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton 织物的光学显微镜照片。(d f) 不同放大倍数下连接到 MXene 纳米片的 CuNWs 纳米线导电网络的 SEM 图像。(g) CuNWs 交织 MXene 导电网络的 SEM 图像和相应的 EDS 元素映射图像。(h,i) 智能多响应棉织物的水和油接触角。(j) 具有自清洁功能的智能多响应棉织物上的茶、可乐、牛奶和食用油的照片。
 
 
图 4. （a）有机相变材料PEG 4000的差示扫描量热（DSC）曲线。不同光功率密度（0.1、0.2、0.3 W/cm2）下（b）CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton织物和（c）CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton织物的温度变化。（d）不同功率密度下棉织物、CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton织物和CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton织物的稳态温度。（e）光功率密度为0.2 W/cm2时棉织物、CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton织物和CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton织物的温度变化对比，（f）其能量释放过程局部放大图。 （g）PCM集成智能多响应棉织物的储热和温度调节示意图。
 
 
 
图 5. 智能 CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton 织物的电热性能。（a）对智能 CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton 织物施加电刺激的示意图。（b）智能 CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton 织物随不同电压（1-6 V）的温度曲线，（c）不同电压下相应的红外热图。（d）6 V 输入电压下 CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton 织物的温度时间循环曲线。（e）智能 CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton 织物在不同状态（平整、弯曲和扭曲）下作为导电路径时小灯泡的亮度比较。（f）4 V 电压下智能 CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton 织物在不同状态（平整、弯曲和扭曲）下的温度响应曲线以及相应的红外热像。 (g)不同电压刺激下CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton织物的稳态温度及对应的最大升温速率。(h)6 V电压刺激下CuNWs-MXene-PEDOT@Cotton织物与CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton织物温度变化对比。
 
 
图 6. 智能 CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton 织物对机械应力的刺激响应。（a）智能织物在一系列从 5% 到 50% 的逐步拉伸下相对电阻的变化。（b）智能织物在不同弯曲状态（从 0 到 50%）下的电流电压曲线。（c）在频率为 50 至 300 mm/min 的循环弯曲/释放下的相对电阻变化。（d）智能织物在超过 1300 次循环的弯曲载荷下的响应性能。智能 CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton 织物作为应变传感器在人体运动检测中的可穿戴应用。检测人体运动时的实时相对电阻变化。（e）手指弯曲，（f）肘部弯曲，（g）手腕弯曲。
 
        相关科研成果由青岛大学Jinlei Miao等人于2024年发表在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
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c13999

转自《石墨烯研究》公众号