棉花作為一種豐富的天然纖維素，已被廣泛用于可持續的、親膚的紡織品和服裝，但開發能夠對各種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。在此，成功開發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 導電網絡，這些網絡沿 3D 編織織物模板無縫組裝，可實現高效的個人醫療保健和熱舒適調節。堅固的分層交織導電網絡沿 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境穩定性。受益于堅固的多響應分層交織導電網絡，智能棉織物對各種外界刺激（光/電/熱/溫度/壓力）表現出實時響應，并且可以準確識別和監測人體活動的細節。此外，3D 智能織物的多孔結構對相變材料 PEG 產生了強大的毛細力和限制作用，從而表現出廣泛的相變溫度范圍，可有效調節熱舒適度。在用透明氟硅樹脂進一步封裝后，智能棉織物表現出優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中具有巨大的應用前景，可用于高效的個人醫療保健和熱管理。
圖 1. 用于個性化醫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 導電網絡的智能多響應棉織物的制備過程和結構示意圖。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) 不同放大倍數的針狀 1D CuNWs 的 SEM 圖像。(d f) 不同放大倍數的 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 分級互連導電網絡結構示意圖。
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) 不同放大倍數下連接到 MXene 納米片的 CuNWs 納米線導電網絡的 SEM 圖像。(g) CuNWs 交織 MXene 導電網絡的 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織物的穩態溫度。（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節示意圖。
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曲線。（e）智能 CuNWs-MXene PEDOT-PEG@Cotton 織物在不同狀態（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（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織物的穩態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（從 0 到 50%）下的電流電壓曲線。（c）在頻率為 50 至 300 mm/min 的循環彎曲/釋放下的相對電阻變化。（d）智能織物在超過 1300 次循環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
轉自《石墨烯研究》公眾號
