银纳米线在电子纺织品中的应用

银纳米线在电子纺织品中的应用

网络艺术1坚持1。2MethodsforpreparingAgNWsconductivetextiles1运动传感器模块随着现代电子产品逐渐微型化、集成化和柔性化和人们对可穿戴纺织品需求的提高近年来,E-textiles在全球得到飞速的发展,国内外众多公司和科研机构开始致力于E-textiles的研发,市场上已经出现不少商业化的产品。例如Nike公司推出一款跑步数据传感器,将无线传感器放进Nike+运动鞋鞋垫下的内置凹槽中,然后连接iPhone,即可记录运动信息。美国知名服装品牌RalphLauren与加拿大公司OMsignal合作,发布了一款售价高达295美元的智能运动衣PoloTech。PoloTech的关键在于面料中嵌入的导电银纤维和左胸下方的黑盒子,其内置的传感器能够检测到心跳、呼吸、运动强度和消耗热量等运动数据,然后借助于黑盒子中的蓝牙,将数据传输到手机上。E-textiles包括纺织品、电子元器件、导电材料和电源等部分,其中导电材料在E-textiles中具有极其重要的作用,主要用于传输电能和信号银纳米线(AgNWs)具有高比表面积、导热、导电、透光、延展性、机械强度和柔性等性能2法国银行电影纺织的制造方法正如前面所述,E-textiles的基础在于纺织品的导电性能。AgNWs具有超高的长径比2.1导电纺织品的制备共混法即首先在成纤高聚物溶液中添加AgNWs,混合均匀后采用熔融纺丝、湿法纺丝、干法纺丝、静电纺丝和模板法等方法制备导电纺织品。目前共混纺丝法仅见于韩国延世大学Lee课题组2015年发表于AdvancedFunctionalMaterials的关于制备可拉伸弹性纤维的文献报道不同于上述湿法纺丝,韩国基础科学研究所(IBS)纳米粒子研究中心和首尔大学的研究人员2.2agnws导电纺织品的制备方法后整理法是通过浸渍、旋涂等方法,使AgNWs吸附在纺织品表面形成导电网络从而得到导电纺织品。目前AgNWs导电纺织品的制备方法主要以后整理法为主,已报道的纤维类型包括:棉、涤纶(聚对苯二甲酸乙二醇酯PET)、粘胶、尼龙(聚酰胺PA)、聚氨酯(PU)、棉/氨纶包芯纱等。鉴于棉纤维含有众多羟基活性基团,其附着AgNWs的效果较好,因而一般不需要对棉纤维进行预处理即可直接吸附AgNWs。伊朗伊斯兰自由大学Nateghi等国内苏州大学修阿男毛细现象是指浸润液体在毛细管里升高的现象和不浸润液体在毛细管里降低的现象。能够产生明显毛细现象的管就叫作毛细管。毛细作用在自然界普遍存在,毛细管中液柱的上升高度h可以通过式(1)来计算:其中γ-表面张力,θ-接触角,ρ-液体密度,g-重力加速度,r-毛细管半径。众所周知,纺织品是一种多孔纤维材料,由数量众多的原纤(fibril)组成,原纤之间存在大量近似平行的孔洞形成毛细管,因而纺织材料可以依靠毛细作用进行纳米材料的组装。南京邮电大学张自强合成纤维由于其活性基团较少,对AgNWs的吸附效果较差,因而往往需要使用物理或者化学的方法对其进行改性以增加纤维材料的浸润性,从而获得更好的吸附效果。加拿大滑铁卢大学Atwa等后整理法制备步骤简单,可重复性好,能够大规模批量生产,而且使用不同的整理次数能够有效调整AgNWs在纺织品表面的数量和导电性能,是一种非常有效的制备AgNWs导电纺织品的方法。但是后整理法也存在结合牢度偏弱的缺陷。从上述后整理法的文献可以看出,部分文献没有测试耐洗性能为了改善AgNWs在纺织品表面的附着力,一些研究者引入交联剂或者在AgNWs外层再包裹一层纳米材料3agnws改性纺织品的制备方法AgNWs具有超高的长径比,将AgNWs涂敷在纺织品的表面,AgNWs之间形成相互接触、贯通的导电网络,因而AgNWs改性后的纺织品导电性能优异。而正是其优异的导电性能、容易制备、原料易得、柔性等特性,使得AgNWs改性后的纺织品可用于保暖纺织品、电热纺织品、柔性电子传感器、超弹性导电复合纤维、自供能纺织品等领域,而且AgNWs纺织品还可以获得良好的抗菌、抗紫外性能,从而进一步提升了E-textiles的功能性。3.1agnws导电纺织品的制备方法巨大的能源消耗是人类21世纪面临的主要问题之一,全球高达47%的能源被用于室内取暖。减少室内取暖能够很大程度上减少化石能源的消耗。个人热管理(personalthermalmanagement)式纺织品能够针对人体和特定的环境进行温度调控,与传统调控室内温度的方法相比,个人热管理有着更高的能量利用效率众所周知,人体的多数热量都是以红外线的形式向外辐射散失,单位时间、单位面积辐射的能量可以通过斯特藩-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmannlaw)即式(2)来计算。其中j为能量通量,T为温度,σ为斯特藩-玻尔兹曼常数,ε为材料的发射率,其值介于0~1之间。相同的温度条件下,低发射率材料的辐射能量小于高发射率材料,因而低发射率材料的辐射绝缘性能更好。银的发射率为0.02,而常用纺织材料的发射率大多位于0.75~0.9,因此AgNWs纺织品的总发射率远远低于未改性纺织品,可以更好地减少热量损失2014年斯坦福大学崔毅课题组除了被动保温之外,这种个人热管理式的纺织品还可以连接外部电源进行主动加热。其原理主要是基于焦耳定律(Joule’sLaw),即电流通过导电材料产生的热量跟电压和通电时间成正比,跟电阻成反比,如式(3)所示。其中Q-热量,U-电压,R-电阻,t-通电时间。传统电热纺织品的制备方法是将不锈钢等金属材料嵌入到织物中,具有厚重、容易被腐蚀和氧化、价格昂贵和可加工性差等缺陷。而AgNWs纺织品可以很好地克服上述弊端。从公式(3)可以看出,在电压(U)固定的情况下,焦耳热(Q)与电阻(R)成反比。由于AgNWs导电纺织品的电阻值小,因而在同等电压和相同时间下,产生的热量更多。崔毅课题组制备的AgNWs纺织品,0.9V电压下即可加热到38℃。此后,基于AgNWs的保暖纺织品和电热纺织品的研究逐渐增多AgNWs基纺织品除了用于保暖和加热外,还可用于热疗。热疗具有悠久的历史,最早可追溯到公元前5000年,是一种适用于消肿、止痛、疏经通络、改善血液循环甚至肿瘤治疗的常规物理疗法。目前商品化的热疗设备有热疗枕、热疗按摩棒、热疗仪等。但是这些热疗设备大多笨重,无法随身携带。而常用的热疗贴与皮肤的贴合性差,使用一段时间后容易脱落。韩国IBS纳米粒子研究中心和首尔大学的研究人员3.2电子传感器基基因组织传统的压力传感器大多是基于半导体和金属材料,其便携性、柔韧性较差。与传统的压力传感器相比,柔性压力传感器具有生物相容、可拉伸、透明等诸多优势,在医学、触摸屏、电子皮肤(Electronicskin,E-skin)等领域有潜在的应用前景柔性电子传感器的基底材料需要满足轻薄、柔性和可拉伸等特性华南理工大学刘岚课题组在上述工作的基础上,该课题组使用2mg/mL的氧化石墨烯处理棉条,80℃烘干30min后,用水合肼还原得到还原氧化石墨烯(rGO)导电棉条,然后与AgNWs导电棉条复合3.3超弹性导电复合纤维超弹性导电纤维是指在剧烈的拉伸条件下,纤维仍然能够保持高导电性能AgNWs具有优异的导电、耐曲挠性、延展性、柔性和机械强度,是一种理想的超弹性导电复合纤维填充材料韩国延世大学Lee课题组3.4集中成纺织品的原料配比所有的E-textiles都需要电源,而传统的电池重量和体积大,不利于集成到纺织品上。自供能(selfpowered)技术从环境中收集能量,然后转化为电能,实现能量自给3.4.1pet和fas/pdms佐治亚理工学院王中林2012年最早研发出了TENG。TENG利用静电感应和摩擦生电的原理,通过静电感应和摩擦生电之间的耦合,将材料摩擦时产生的电荷导出到外电路东华大学王宏志课题组TENG主要分为电极材料和摩擦材料,该课题组以铝箔、AgNWs导电尼龙布作为电极,PET和FAS/PDMS作为正负极摩擦材料,通过PET和FAS/PDMS这两种摩擦材料的接触/分离收集机械能。在压缩的状态下,PET和FAS/PDMS接触摩擦,电子从PET流向FAS/PDMS,PET带正电,FAS/PDMS带负电。释放压力后,电子从AgNWs导电尼龙布流向铝箔,然后观察到电信号。当两个摩擦材料的表面再次接触后,静电平衡再次被打破,电子通过外电路从铝箔回流到AgNWs导电尼龙布,然后可以检测到相反的电信号。因此通过连续的接触/分离,TENG产生持续的交流电,其最大瞬时功率密度为2.8W/m福州大学李福山课题组3.4.2柔性太阳能器件太阳能是一种取之不竭、用之不尽的绿色能源,开发一种高效、成本低廉的可穿戴柔性太阳能器件对于E-fabrics意义重大。目前尽管纤维状的能源器件已经得到了飞速发展韩国汉阳大学Kim和福州大学李福山另辟蹊径,研制了一种不同于传统的纤维状光电器件,基于透明导电涤纶织物的聚合物太阳能电池4循环使用与洗涤前后导电能的变化AgNWs基E-textiles在传感器、可穿戴器件、高档纺织品等领域具有重要的应用价值。但是该领域的研究才刚刚开始,仍然存在一些亟待解决的问题:(1)制备导电纺织品的关键在于将导电纳米材料与柔性纺织品有效结合,并且经过多次循环使用和洗涤后,导电性能不会显著下降。目前绝大部分研究者主要使用后整理法将AgNWs吸附在纺织品的表面,AgNWs和纺织品之间通过范德华力、氢键结合,缺乏强有力的化学键结合