MXene基柔性传感织物结构成形及可穿戴应用研究
相比于传统纺织品的单一服用功能，具有多重功能（通讯、传感、能量收集等）的智能可穿戴纺织品具有广阔的应用前景。为了实现智能可穿戴纺织品功能化和舒适性的平衡，纺织品本身的组织结构和传感材料的选择是关键问题。然而，传统纺织品易变形的特性使得传感性能的精准性受到极大影响，且变形和传感的关系较复杂。因此，如何在保持纺织材料天然柔性优势的同时又提高传感性能的精准性和多功能性，是当前智能可穿戴纺织品亟待解决的关键问题。 本论文以提高纺织品在可穿戴领域的应用潜力为目的，采用银纳米颗粒（AgNPs）、银纳米线（AgNWs）等对Ti3C2TxMXene进行功能化改性和结构设计，构筑了响应灵敏度高的压力、温度、应变MXene基柔性传感织物，实现了实时监测人体运动和个人热管理（电制热及光制热）双重功能的可穿戴应用，满足了人体对可穿戴电热器件柔弹性和适形性的要求，可为柔性智能传感纺织品的制备提供科学指导，具有重要的理论意义和实用价值，主要研究内容与成果如下： （1）具有高压缩形变灵敏度的MXene基压力传感间隔织物的构建与压力传感机制。 以高压缩回弹性的间隔织物为基底，采用浸渍和静电纺丝技术制备出具有高压缩形变灵敏度的MXene/聚丙烯腈（PAN）间隔织物。系统研究了其在不同压力下电阻信号变化规律，优选出适合可穿戴的压力范围（1-5kPa），定压力下的电阻循环稳定性测试表明其具有高压缩弹性和灵敏度（508.79kPa-1）。在此基础上，通过对间隔织物压缩形变和传感性能的实验和理论分析，建立了基于间隔丝变形的织物厚度、压力和电阻三者之间的关系，明晰了间隔织物高灵敏度压力传感机制。结果表明，由间隔织物制备的单片或阵列式智能传感鞋垫可用于感知走路姿势及跑步过程中的压力-电阻变化，可以识别出内八字、外八字等走路姿势和习惯，且在跑步识别过程中，压力传感鞋垫也可通过电阻的相对信号变化值来实时监测跑步频率等运动。此外，MXene压力传感织物在9V驱动电压下最高温度可达87℃，电热效果显著。 （2）电制热和近红外光制热复合的MXene/AgNPs基温度传感织物的制备及其电热理论模型。 以柔软及导热性能优良的轻薄型天丝织物为基底，通过自还原反应制备出具有电制热和近红外光制热复合的MXene/AgNPs基温度传感织物。在MXene作为本征传感材料的基础上，以MXene作为还原剂，采用自还原方法将MXene/AgNO3原位还原为MXene/AgNPs纳米复合材料，用于增强轻薄型天丝织物的温度传感灵敏度，电制热和光制热测试表明其温度与电阻变化值呈正相关，表现出良好的电热效应和近红外光（NIR）的光热转换效应。在此基础上，系统研究了其电热过程中的焦耳热效应和光热过程中近红外光热转换效应，明晰了温度对织物电阻的内在影响及温度传感机制，建立了织物分层电热模型，实现了织物的电热应用和近红外光热驱动应用。结果表明，在电热应用方面，MXene/AgNPs温度传感织物在9V驱动电压下织物温度达到了91.2℃，电阻温度系数为2.65×10-3℃-1；在近红外光热应用方面，Ecoflex硅橡胶封装层厚度方向上的非对称设计使得MXene/AgNPs织物在近红外光照射31s后的最大弯曲角可达149°，电阻温度系数为2.94×10-3℃-1。该织物具有了温度传感、个人热管理、光热驱动等多方面可穿戴应用前景，为温度传感及个人热管理纺织品的制备提供了新思路。 （3）具有螺旋包缠结构的高拉伸应变灵敏度MXene/AgNPs/AgNWs基应变传感织物制备与表征。 以高弹性、多层次结构的螺旋包缠纱线为基底，采用零维（0D）AgNPs、一维（1D）AgNWs和二维（2D）MXene修饰并织造出具有螺旋包缠结构的高拉伸应变灵敏度MXene/AgNPs/AgNWs应变传感织物。所制备的应变传感织物以螺旋包缠纱线为应变传感单元，该螺旋包缠结构（2根200旦涤纶单丝为鞘纱）既不会阻碍纱线的拉伸应变，同时也保护了位于中间的氨纶芯纱（1100旦），保证了受力拉伸过程中的弹性稳定性，减缓了高频率循环拉伸应变下的电学及力学疲劳。结果表明，该纱线在0-60%应变范围内的灵敏度达到了309.10，在60-150%应变范围内的灵敏度达到了474.38，在150-200%应变范围内的灵敏度达到了872.79。在此基础上，重点研究了螺旋包缠结构在力学拉伸过程中的应变传感机制及电阻变化行为，探究了织物组织结构与应变范围和灵敏度的关系，建立了基于螺旋包缠结构的纱线及其织物应变传感模型，实现了人体运动信号的（面部表情识别、发音识别、手势识别、走路/跑步）实时监测。此外，在电热应用方面，MXene/AgNPs/AgNWs应变传感织物在3V驱动电压下加热50s即可达到80℃，在御寒保暖、热理疗等个人防护及医疗保健领域具有较大的应用潜力，同时也进一步拓宽了发热纺织品在可穿戴方面的应用领域。
MXene基柔性传感织物;可穿戴应用;个人热管理;复合材料
东华大学
博士
纺织材料与纺织品设计
杜赵群
2022
中文
TS106;TP212
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）