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一种具有双模式热管理与健康检测功能的纳米纤维基材料及其制备方法与应用

申请号 CN202410160503.9 申请日 2024-02-02 公开(公告)号 CN118003741A 公开(公告)日 2024-05-10
申请人 济南大学; 发明人 王鹏; 李阳; 孙桂芬; 岳文静; 朱宇坤; 孟垂舟; 禹伟; 张龙肖;
摘要 本 发明 公开了一种具有双模式 热管 理与健康检测功能的 纳米 纤维 基材料及其制备方法与应用,属于 纳米材料 技术领域。本发明将 辐射 制热纳米纤维、辐射制冷纳米纤维、纤维基应变 传感器 和 温度 传感器集成为一体。辐射制冷层由具有高 中红外 发射率和高反射率的TPU纳米纤维组成。辐射制 热层 由具有高吸收率的CNT/TPU纳米纤维组成。具有高灵敏度的褶皱结构与裂纹结构的应变传感层被夹于辐射制冷层与辐射制热层中间,可以以无约束的方式监测人体呼吸 信号 。温度传感层是通过墨 水 直写3D打印技术将浆料直接打印于TPU纳米纤维层上。得益于TPU纳米纤维网络结构,该材料具有优异的防水性和透气性,可以长时间舒适穿戴。
权利要求

1.一种具有双模式热管理与健康检测功能的纳米纤维基材料,包括辐射制冷层、应变传感层和辐射制热层,其中:
所述辐射制冷层为热塑性聚酯纳米纤维膜;
所述辐射制热层为纳米管/热塑性聚氨酯纳米纤维膜;
所述应变传感层具有微褶皱和微裂纹结构,用于监测人体呼吸信号,其设置于所述辐射制冷层和所述辐射制热层之间。
2.如权利要求1所述的纳米纤维基材料,其特征在于,所述纳米纤维基材料还包括温度传感器,所述温度传感器用于监测人体温度,其设置于所述辐射制冷层的上方;
优选的,所述温度传感器是通过D打印直写技术将浆料打印于所述辐射制冷层的设定位置的方式得到的。
3.如权利要求1或2所述的纳米纤维基材料,其特征在于,所述双模式热管理包括被动制热和被动制冷两个模式,所述辐射制冷层用于被动制冷,所述辐射制热层用于被动制热;
所述健康监测包括呼吸监测和体温监测。
4.一种具有双模式热管理与健康检测功能的纳米纤维基材料的制备方法,包括以下步骤:
辐射制冷层的制备:将热塑性聚氨酯溶于有机溶剂中,得到静电纺丝溶液,将纺丝溶液进行静电纺丝、干燥,获得热塑性聚氨酯纤维膜;
辐射制热层的制备:在所述热塑性聚氨酯纤维膜表面喷涂碳纳米管溶液,喷涂完毕后干燥,获得碳纳米管/热塑性聚氨酯纳米纤维膜;
应变传感层的制备:将聚(3,4‑亚乙基二噻吩)‑聚(苯乙烯磺酸)、碳纳米管和纳米线混匀,得到混合溶液;将所述混合溶液喷涂于预拉伸的热塑性聚氨酯纤维膜两侧,喷涂完毕后干燥,干燥完毕后放开预拉伸夹具,获得应变传感层;
复合:将辐射制冷层、热熔胶膜、应变传感层、热熔胶膜、辐射制热层按照从上到下的顺序排列,加热使各层粘合成一个整体,获得具有双模式热管理与健康检测功能的纳米纤维基材料。
5.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述有机溶剂选自二甲基亚砜、D,D‑二甲基甲酰胺和四氢呋喃中的至少一种;
优选的,所述有机溶剂为二甲基亚砜、D,D‑二甲基甲酰胺和四氢呋喃按质量比1:4‑5:
4‑5混合后得到的混合溶液。
优选的,所述热塑性聚氨酯的用量为所述有机溶剂的15‑17wt%。
6.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述碳纳米管溶液的浓度为5‑8mg/mL;
所述碳纳米管溶液的溶剂为去离子
7.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,聚(3,4‑亚乙基二氧噻吩)‑聚(苯乙烯磺酸)、碳纳米管和银纳米线的质量比为1‑2:1‑2:1‑2;
或,所述预拉伸的热塑性聚氨酯纤维膜为使用夹具将所述热塑性聚氨酯纤维膜预拉伸至0%‑80%。
8.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述制备方法还包括温度传感器的制备,其包括如下内容:
将二维石墨烯片、聚(3,4‑亚乙基二氧噻吩)‑聚(苯乙烯磺酸)、聚乙烯醇和去离子水混匀并加热搅拌至各成分完全溶解,得到浆料;采用墨水直写3D打印技术,按照所需形状,将所述浆料打印到所述纳米纤维基材料的热塑性聚氨酯纤维膜面上。
9.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,二维石墨烯片、聚(3,4‑亚乙基二氧噻吩)‑聚(苯乙烯磺酸)、聚乙烯醇和去离子水的质量比为1‑5:5:1:4。
10.权利要求1‑3任一所述的纳米纤维基材料或通过权利要求4‑9任一所述的制备方法制得的纳米纤维基材料在可穿戴领域中的应用;
优选的,所述纳米纤维基材料用于制备衣服;
进一步优选的,所述衣服具有双模式热管理与健康监测功能;所述双模式热管理包括被动制热和被动制冷两个模式,所述辐射制冷层用于被动制冷,所述辐射制热层用于被动制热;所述健康监测包括呼吸监测和体温监测。

说明书全文

一种具有双模式热管理与健康检测功能的纳米纤维基材料及

其制备方法与应用

技术领域

[0001] 本发明属于纳米材料技术领域,具体涉及一种具有双模式热管理与健康检测功能的纳米纤维基材料及其制备方法与应用。

背景技术

[0002] 公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术
[0003] 人们长时间暴露在炎热或寒冷的环境中,会感到不适、热应激和冷应激,导致皮肤和体温升高或降低。根据“热舒适度”标准可以知道,如果人体核心体温过高(>38.3℃)或过低(35.0℃),可能危及人类的生命。因此,极端天气大大增加了人们受伤、生病和猝死的概率。然而,很大一部分人(如街道清洁工、户外电工等)不可避免地在寒冷的冬季和炎热的夏季等恶劣环境中工作,因此他们必须在每年的不同季节过渡到不同的温度。目前空间制冷或供暖方法主要依赖于空调系统或建筑供暖,这对于开放的室外环境来说不经济,并造成资源浪费。因此,迫切需要制造出能够通过无能源或节能策略控制人体温度的智能穿戴产品。
[0004] 可穿戴材料作为人体与外部环境之间的直接屏障,可以通过调节靠近人体的微空间和材料辐射来实现热舒适,这有助于提供更精确、更便携的热管理,能耗低。目前已经多种个人热管理材料已经用于提高人体的热舒适性,例如,橡胶弹性体、、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯等。单大多数个人热管理材料为实心结构,这降低了冷却(例如,阻碍散热)或加热效果,且在长期佩戴后会引起人体皮肤不适或严重炎症。许多被动辐射冷却材料只能在天气温暖时提供冷却,无法与冷热季节的温度波动相匹配。因此,制造一个能够在冷却和加热之间切换以适应各种情况的单一透气可穿戴设备是一个巨大的挑战。
[0005] 此外,许多研究人员发现,呼吸信号频率和强度受到温度的影响,可以反映人体的健康状况。提供适合人类生命和健康的温度,并监测人体呼吸信号的柔性可穿戴设备对减少恶劣环境(如高温和低温)对人类的伤害、降低死亡率和保护地球资源具有重要意义。

发明内容

[0006] 为了解决现有技术的不足,本发明的目的是提供一种具有双模式热管理与健康检测功能的纳米纤维基材料及其制备方法与应用,本发明提供的具有双模式热管理与健康监测功能的纳米纤维基材料可用于制备衣服,其不仅具有热管理功能,还具有健康监测的功能,从两个方面有效避免恶劣天气对人身的伤害。
[0007] 为了实现上述目的,本发明的技术方案为:
[0008] 本发明的第一个方面,提供一种具有双模式热管理与健康检测功能的纳米纤维基材料,包括辐射制冷层、应变传感层和辐射制热层,其中:
[0009] 所述辐射制冷层为热塑性聚酯纳米纤维膜;
[0010] 所述辐射制热层为纳米管/热塑性聚氨酯纳米纤维膜;
[0011] 所述应变传感层具有微褶皱和微裂纹结构,用于监测人体呼吸信号,其设置于所述辐射制冷层和所述辐射制热层之间。
[0012] 在本发明的一些实施例中,所述纳米纤维基材料还包括温度传感器,所述温度传感器用于监测人体温度,其设置于所述辐射制冷层的上方。
[0013] 优选的,所述温度传感器是通过墨直写3D打印技术将浆料打印于所述辐射制冷层的设定位置的方式得到的。
[0014] 在本发明的一些实施例中,所述双模式热管理包括被动制热和被动制冷两个模式,所述辐射制冷层用于被动制冷,所述辐射制热层用于被动制热;
[0015] 所述健康监测包括呼吸监测和体温监测。
[0016] 本发明提供了一种具有双模式热管理与健康检测功能的纳米纤维基材料,本发明的策略是将辐射制热纳米纤维、辐射制冷纳米纤维、纤维基应变传感器和温度传感器集成到一体中。其中,制冷面(即辐射制冷层)是纳米纤维基材料的一个表面,其由具有高中红外(IR)发射率和高反射率的静电纺丝纳米热塑性聚氨酯(TPU)的纳米纤维组成。制热面(即辐射制热层)是纳米纤维基材料的另一个表面,其由具有高可见光吸收率的静电纺丝碳纳米管(CNT)/TPU纳米纤维组成。具有褶皱结构与裂纹结构的高灵敏应变传感层被夹于辐射制冷的TPU纳米纤维层与辐射制热的CNT/TPU纳米纤维层中间,可以以无约束的方式监测人体呼吸信号。温度传感层是通过墨水直写3D打印技术将浆料直接打印于TPU纳米纤维层上。此外,得益于TPU纳米纤维网络结构(具有众多内部开放式微孔和微通道),使得该纳米纤维基‑1材料具有优异的防水性和透气性(41.2mm s ),可以长时间以舒适的方式穿戴。本发明为实现用于人体热管理和生理信号(如呼吸和温度信号)监测的多功能可穿戴电子设备提供了一种独特的方法。
[0017] 本发明提供的纳米纤维基材料具有透气、防水、被动辐射制冷、被动辐射制热、应变呼吸监测以及人体温度监测等功能,可以根据环境温度选择衣服的穿戴方式,从而有效避免恶劣环境对人体的伤害。高温环境下,可采用辐射制冷层在外面的穿戴方式,被动辐射制冷,有效降低人体温度,防止中暑。低温环境下,可采用辐射制热层在外面的穿戴方式,被动辐射制热,有效保证人体温度,降低极端温度下的伤害和死亡率。
[0018] 本发明的第二个方面,提供一种具有双模式热管理与健康检测功能的纳米纤维基材料的制备方法,包括以下步骤:
[0019] 辐射制冷层的制备:将热塑性聚氨酯溶于有机溶剂中,得到静电纺丝溶液,将纺丝溶液进行静电纺丝、干燥,获得热塑性聚氨酯纤维膜;
[0020] 辐射制热层的制备:在所述热塑性聚氨酯纤维膜表面喷涂碳纳米管溶液,喷涂完毕后干燥,获得碳纳米管/热塑性聚氨酯纳米纤维膜;
[0021] 应变传感层的制备:将聚(3,4‑亚乙基二氧噻吩)‑聚(苯乙烯磺酸)、碳纳米管和纳米线混匀,得到混合溶液;将所述混合溶液喷涂于预拉伸的热塑性聚氨酯纤维膜两侧,喷涂完毕后干燥,干燥完毕后放开预拉伸夹具,获得应变传感层;
[0022] 复合:将辐射制冷层、热熔胶膜、应变传感层、热熔胶膜、辐射制热层按照从上到下的顺序排列,加热使各层粘合成一个整体,获得具有双模式热管理与健康检测功能的纳米纤维基材料。
[0023] 预拉伸与喷涂工艺使得应变传感层具有很多的微褶皱与微裂纹结构,在相同的拉伸状况下,其可以出现更大的电阻变化,从而有效增加了应变传感层的灵敏度。
[0024] 在本发明的一些实施例中,所述有机溶剂选自二甲基亚砜、D,D‑二甲基甲酰胺和四氢呋喃中的至少一种。
[0025] 优选的,所述有机溶剂为二甲基亚砜、D,D‑二甲基甲酰胺和四氢呋喃按质量比1:4‑5:4‑5混合后得到的混合溶液。
[0026] 在本发明的一些实施例中,所述热塑性聚氨酯的用量为所述有机溶剂的15‑17wt%。
[0027] 在本发明的一些实施例中,所述碳纳米管溶液的浓度为5‑8mg/mL。
[0028] 在本发明的一些实施例中,所述碳纳米管溶液的溶剂为去离子水。
[0029] 在本发明的一些实施例中,聚(3,4‑亚乙基二氧噻吩)‑聚(苯乙烯磺酸)、碳纳米管和银纳米线的质量比为1‑2:1‑2:1‑2。
[0030] 在本发明的一些实施例中,所述预拉伸的热塑性聚氨酯纤维膜为使用夹具将所述热塑性聚氨酯纤维膜预拉伸至0%‑80%。
[0031] 得益于掺杂方法,即将聚(3,4‑亚乙基二氧噻吩)‑聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)、CNT和银纳米线(Ag NW)混合在一起,以及通过预拉伸方法获得开裂的微观结构,应变传感层表现出高应变系数(GF,~368.58)、快速响应(50ms)和良好的稳定性(超过10000次循环)。
[0032] 在本发明的一些实施例中,所述制备方法还包括温度传感器的制备,其包括如下内容:
[0033] 将二维石墨烯片、聚(3,4‑亚乙基二氧噻吩)‑聚(苯乙烯磺酸)、聚乙烯醇和去离子水混匀并加热搅拌至各成分完全溶解,得到浆料;采用墨水直写3D打印技术,按照所需形状,将所述浆料打印到所述纳米纤维基材料的热塑性聚氨酯纤维膜面上。
[0034] 温度传感器的微片层与孔隙结构:石墨烯的二维片层结构与聚乙烯醇的微孔结构使得温度传感器在相同的温度下可以发生更大的形变,出现更大的电阻变化,从而出现更高的灵敏度。
[0035] 在本发明的一些实施例中,二维石墨烯片、聚(3,4‑亚乙基二氧噻吩)‑聚(苯乙烯磺酸)、聚乙烯醇和去离子水的质量比为1‑5:5:1:4。
[0036] 得益于微结构石墨烯(G)纳米片和具有塞贝克系数的PEDOT:PSS,温度传感器显示‑1 ‑1出‑0.013℃ (25‑55℃)和‑0.003℃ (55‑100℃)的高温灵敏度。
[0037] 本发明的第三个方面,提供上述的纳米纤维基材料或通过上述的制备方法制得的纳米纤维基材料在可穿戴领域中的应用。
[0038] 优选的,所述纳米纤维基材料用于制备衣服;
[0039] 进一步优选的,所述衣服具有双模式热管理与健康监测功能;所述双模式热管理包括被动制热和被动制冷两个模式,所述辐射制冷层用于被动制冷,所述辐射制热层用于被动制热;所述健康监测包括呼吸监测和体温监测。
[0040] 本发明的有益效果为:
[0041] 本发明提供了一种具有双模式热管理与健康检测功能的纳米纤维基材料,包括辐射制冷层、应变传感层和辐射制热层,其中:所述辐射制冷层为热塑性聚氨酯纳米纤维膜;所述辐射制热层为碳纳米管/热塑性聚氨酯纳米纤维膜;所述应变传感层具有微褶皱和微裂纹结构,用于监测人体呼吸信号,其设置于所述辐射制冷层和所述辐射制热层之间。本发明的策略是将辐射制热纳米纤维、辐射制冷纳米纤维、纤维基应变传感器和温度传感器集成到一体中。其中,制冷面(即辐射制冷层)是纳米纤维基材料的一个表面,其由具有高中红外(IR)发射率和高反射率的静电纺丝纳米热塑性聚氨酯(TPU)的纳米纤维组成。制热面(即辐射制热层)是纳米纤维基材料的另一个表面,其由具有高吸收率的静电纺丝碳纳米管(CNT)/TPU纳米纤维组成。具有高灵敏度的褶皱结构与裂纹结构的应变传感层被夹于辐射制冷的TPU纳米纤维层与辐射制热的CNT/TPU纳米纤维层中间,可以以无约束的方式监测人体呼吸信号。得益于原料组成与制备方法,所述应变传感层表现出高应变系数(GF,~
368.58)、快速响应(50ms)和良好的稳定性(超过10000次循环)。温度传感层是通过墨水直写3D打印技术将浆料直接打印于TPU纳米纤维层上,得益于微结构石墨烯(G)纳米片和具有‑1 ‑1
塞贝克系数的PEDOT:PSS,温度传感器显示出‑0.013℃ (25‑55℃)和‑0.003℃ (55‑100℃)的高温灵敏度。此外,得益于TPU纳米纤维网络结构(具有众多内部开放式微孔和微通‑1
道),使得该纳米纤维基材料具有优异的防水性和透气性(41.2mm s ),可以长时间以舒适的方式穿戴。本发明为实现用于人体热管理和生理信号(如呼吸和温度信号)监测的多功能可穿戴电子设备提供了一种独特的方法。
[0042] 本发明提供的纳米纤维基材料具有透气、防水、被动辐射制冷、被动辐射制热、应变呼吸监测以及人体温度监测等功能,可以根据环境温度选择衣服的穿戴方式,从而有效避免恶劣环境对人体的伤害。高温环境下,可采用辐射制冷层在外面的穿戴方式,被动辐射制冷,有效降低人体温度,防止中暑。低温环境下,可采用辐射制热层在外面的穿戴方式,被动辐射制热,有效保证人体温度,降低极端温度下的伤害和死亡率。附图说明
[0043] 构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
[0044] 图1为本发明具有双模式热管理与健康检测功能的纳米纤维基材料的结构示意图,自上至下为辐射制冷层、应变传感层和辐射制热层;
[0045] 图2为应变传感层与CNT/TPU纳米纤维膜的制备工艺示意图;
[0046] 图3为双模式热管理与健康监测功能的纳米纤维基材料的裁剪流程;
[0047] 图4为双模式热管理与健康监测功能的纳米纤维基材料的形貌表征,其中,A为TPU纳米纤维结构示意图;B为TPU纳米纤维电镜图;C为CNT/TPU纳米纤维电镜图;D为应变传感层结构示意图;E为应变传感层不同尺度下的电镜图以及元素分析图;F为多功能纳米纤维基材料横截面示意图;G为多功能纳米纤维基材料横截面电镜图以及元素分析图;H为温度传感器的结构示意图;I为温度传感器的电镜图;
[0048] 图5为双模式热管理与健康监测功能的纳米纤维基材料的性能表征,其中,A为透气性、B为透湿性、C、D为疏水性;
[0049] 图6为应变传感层工作机理与性能测试,其中,A为应变传感层的工作机理图;B为应变传感层的应‑应变曲线最大可以承受1.5Mpa,700%应变;C为应变传感层的灵敏度曲线,第一阶段灵敏度为14.69,第二阶段灵敏度为368.58;D为应变传感层的10000循环的稳定性测试,经过10000次循环仍有很好的稳定性;E为应变传感层的响应时间测试,最快为50ms;
[0050] 图7为温度传感器的传感机理与性能测试,其中,A为温度传感器工作机理;B为不‑1同石墨烯含量温度传感器的灵敏度曲线,(最高灵敏:第一阶段为‑0.013℃ (25‑50℃),第‑1
二阶段为‑0.0012℃ (50‑100℃));C为温度传感器响应时间,为8s;D为温度传感器在30‑50℃的稳定性循环测试;E为温度传感器在25‑55℃的阶梯测试;
[0051] 图8为纳米纤维基材料制冷功能测试,其中,A为TPU纳米纤维的阳光反射率和热发射率;B为4.5小时连续温度测量各种材料的太阳能冷却性能(2023年7月20日,中国天津);
[0052] 图9为纳米纤维基材料制热功能测试,其中,A为不同CNT/TPU纳米纤维的太阳能加热侧的红外图像;B为4.5小时连续温度压缩测量各种材料的太阳能加热性能;
[0053] 图10为应用测试,其中,A为高温环境下智能纳米纤维制冷模式下的呼吸信号检测;B为低温环境下制热纳米纤维加热模式下的呼吸信号检测。

具体实施方式

[0054] 为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案,以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
[0055] 以下实施例中采用原料如无特殊说明,均为常规市售产品,可通过购买得到。
[0056] 实施例1
[0057] 具有双模式热管理与健康检测功能的纳米纤维基材料的制备方法,包括如下步骤:
[0058] 1)辐射制冷层的制备:
[0059] DMSO、DMF和THF按照重量比为1:4:4加入烧杯中后混合,得到混合溶液;然后将TPU颗粒按照混合溶液的15wt.%的比例加入到上述混合溶液中,并将烧杯放于60℃的磁力搅拌器水浴锅中搅拌2小时,直至所有TPU颗粒完全溶解;使用安装有19g针头的5mL的注射器将溶液吸入其中,并安装于静电纺丝设备上,将参数设置为15KV电压,0.1mL/min的速度,纺丝1‑2小时后获得TPU纤维膜。
[0060] 2)辐射制热层的制备:
[0061] DMSO、DMF和THF按照重量比为1:4:4加入烧杯中后混合,得到混合溶液;然后将TPU颗粒按照混合溶液的15wt.%的比例加入到上述混合溶液中,并将烧杯放于60℃的磁力搅拌器水浴锅中搅拌2小时,直至所有TPU颗粒完全溶解;使用安装有19g针头的5mL的注射器将溶液吸入其中,并安装于静电纺丝设备上,将参数设置为15KV电压,0.1mL/min的速度,纺丝1‑2小时后获得TPU纤维膜。
[0062] 将5mg/mL的CNT去离子水溶液使用喷枪均匀的喷涂于TPU纳米纤维上,喷涂1min,得到含有CNT的TPU纳米纤维薄膜
[0063] 将含有CNT的TPU纳米纤维薄膜放于60℃的烘箱中干燥5min后获得CNT/TPU纳米纤维膜。
[0064] 3)应变传感层的制备:
[0065] DMSO、DMF和THF按照重量比为1:4:4加入烧杯中后混合,得到混合溶液;然后将TPU颗粒按照15wt.%的比例加入到上述混合溶液中,并将烧杯放于60℃的磁力搅拌器水浴锅中搅拌2小时,直至所有TPU颗粒完全溶解;使用安装有19g针头的5mL的注射器将溶液吸入其中,并安装于静电纺丝设备上,将参数设置为15KV电压,0.1mL/min的速度,纺丝1‑2小时后获得TPU纳米纤维薄膜。使用夹具将静电纺丝获得的TPU纳米纤维薄膜预拉伸0%‑80%。
[0066] 将聚(3,4‑亚乙基二氧噻吩)‑聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)、CNT和银纳米线(Ag NW)按照1:1:12的重量比例混合,然后使用搅拌器进行搅拌2min,得到混合溶液。
[0067] 使用喷枪将上述混合溶液均匀喷涂于预拉伸的TPU纳米纤维薄膜两侧,每侧喷涂时间为1min。
[0068] 将喷涂了混合溶液的TPU纳米纤维薄膜放于60℃的烘箱中干燥5min,干燥后将预拉伸夹具放开,获得具有微褶皱与微裂纹的应变传感层。
[0069] 4)具有双模式热管理与健康监测的纳米纤维基材料的制备:
[0070] A)将TPU纤维膜(辐射制冷层)、TPU纤维热熔膜,应变传感层,TPU纤维热熔膜,CNT/TPU纳米纤维膜(辐射制热层)按照从上到下的顺序排列,然后使用加热台将上述各层粘合成一个整体,获得具有双模式热管理与健康监测的纳米纤维基材料。
[0071] 如图3所示,可按照穿戴者的尺寸进行裁剪上述获得的具有双模式热管理与健康监测的纳米纤维基材料,获得具有双模式热管理与健康监测的纳米纤维基衣服。
[0072] 5)温度传感器的制备:
[0073] 将二维石墨烯片、PEDOT:PSS、聚乙烯醇颗粒和去离子水按照1:5:1:4的重量比加入烧杯中,将烧杯放于然后90℃的磁力搅拌器水浴锅中搅拌1小时,直至所有聚乙烯醇颗粒完全溶解,得到浆料。将浆液放入装有19g针头中,安装于3D打印机上,按照所需形状打印到纳米纤维基材料或纳米纤维基衣服的TPU面。
[0074] 性能检测:
[0075] (1)形貌检测
[0076] 采用电镜观察纳米纤维基材料或纳米纤维基衣服每层结构。检测结果如图4所示。图4A为TPU纳米纤维结构示意图;图4B为TPU纳米纤维不同尺度下的电镜图,可明显观察到TPU纳米纤维交错排列。图4C为CNT/TPU纳米纤维电镜图,可明显观察到CNT负载在TPU纳米纤维上。图4D为应变传感层结构示意图,可明显观察到其为褶皱结构。图4E为应变传感层不同尺度下的电镜图以及元素分析图;可明显观察到应变传感层中存在褶皱与裂纹结构,且负载有CNT、PEDOT:PSS和银纳米线,同时在应变传感器中碳、氧和银元素分布均十分均匀。
图4F为多功能纳米纤维基材料横截面示意图,图4G为多功能纳米纤维基材料横截面不同尺度下的电镜图以及元素分析图,通过两副图可明显观察到其为三层结构,中间结构为皱褶型,且碳、氧和银元素分布均十分均匀。图4H为温度传感器的结构示意图,图4I为温度传感器的电镜图,通过两副图可明显观察到石墨烯为片层结构。
[0077] (2)透气、透湿和疏水性检测
[0078] 采用透气与透湿测试仪进行透气、透湿性测试。
[0079] 检测结果如图5所示,图5A为透气性比较图、图5B为透湿性能比较图、图5C和图5D为疏水性能表征。得益于静电纺丝工艺获得的多孔隙纳米纤维,多功能纳米纤维基材料具有比尼龙还要好的透气性,有与无纺布相当的透湿性,具有很好的疏水能力,与人工汗液、水滴的接触均大于120°(接触角大于90°为疏水),可以保证长时间舒适穿戴,并且可以有效防止汗液的侵蚀,有效增加传感层的寿命。
[0080] (3)应变传感层工作原理与性能检测
[0081] 将数字源表连在应变传感层两端,在对其拉伸时获得对应电阻值。
[0082] 检测不同预拉伸下应变传感器的灵敏度与应变范围,检测结果如表1和图6所示。
[0083] 表1
[0084]
[0085] 如图6所示,图6A为应变传感层的工作机理图,在拉伸时导电通路减少,电阻增大。图6B为应变传感层器的应力‑应变曲线(最大可以承受1.5Mpa,700%应变)。图6C为应变传感层的灵敏度曲线,第一阶段灵敏度为14.69,第二阶段灵敏度为368.58。图6D为应变传感层的10000循环的稳定性测试,经过10000次循环仍有很好的稳定性;图6E为应变传感层的响应时间测试,最快为50ms。
[0086] (4)温度传感器传感机理与性能检测
[0087] 将数字源表连在温度传感器两端,再使用加热台升高温度传感器温度时获得对应电阻值。
[0088] 检测结果如图7所示,图7A为温度传感器工作机理,在温度上升时,水分子减少,PEDOT:PSS分子的间距减小,电阻减小。图7B为不同石墨烯含量温度传感器的灵敏度曲线,‑1 ‑1最高灵敏:第一阶段为‑0.013℃ (25‑50℃),第二阶段为‑0.0012℃ (50‑100℃)。图7C为温度传感器响应时间,为8s。图7D为温度传感器在30‑50℃的稳定性循环测试,其非常稳定。
图7E温度传感器在25‑55℃的阶梯测试。
[0089] (5)纳米纤维基材料辐射制冷功能检测
[0090] 检测结果如图8所示,图8A为TPU纳米纤维的阳光反射率和热发射率;图8B为4.5小时连续温度测量各种材料的太阳能冷却性能(2023年7月20日,中国天津),TPU纳米纤维的制冷效果与布相比较更好,可以降温5℃以上。TPU纳米纤维的制冷效果与棉布相比较更好,可以降温5℃以上。
[0091] (6)纳米纤维基材料辐射制热功能检测
[0092] 检测结果如图9所示,图9A为不同CNT/TPU纳米纤维的太阳能加热侧的红外图像。图9B为4.5小时连续温度压缩测量各种材料的太阳能加热性能。
[0093] 通过喷涂不同重量的碳纳米管,系统地研究了辐射制热层的光学和太阳能加热性2 2 2
能的可调性。制备喷涂有不同CNT量(0.05mL/cm、0.1mL/cm 和0.25mL/cm)的加热层,并将其应用于太阳能热转换和加热中。在连续4.5小时的测量期内,CNT/TPU纳米纤维在加热模式下覆盖的模拟皮肤的表面最高温度比黑棉高约9℃。
[0094] (6)纳米纤维基材料健康检测性能的检测
[0095] 检测结果如图10所示,图10A为高温环境下智能纳米纤维制冷模式下的呼吸信号检测。图10B为低温环境下制热纳米纤维加热模式下的呼吸信号检测。
[0096] 对于被动冷却应用,志愿者首先在炎热的环境中穿着用纳米纤维基材料制备的衣服,TPU面在外对着阳光,在最初的2分钟内,衣服上的传感器指示的温度从30.60℃到40.12℃,衣服中的应变传感器监测到的呼吸信号频率约为25次/min。在衣服冷却模式的作用下,人体温度从40.12℃下降到36.20℃,呼吸频率从25次/min下降到21次/min,6分钟内呼吸强度增加50%。然而,志愿者的衣服改为棉布后,温度上升到40.11℃,呼吸频率上升到24次/min,呼吸强度再次下降了50%,这证明了冷却模式的有效性和所制备的传感器的可靠性。
[0097] 对于加热应用,志愿者首先在寒冷的环境中(~16℃,由空调控制),穿着用纳米纤维基材料制备的衣服,CNT/TPU面在外对着太阳光(由AHD3000W太阳能模拟器发射),衣服上的温服传感器指示的温度在最初的2分钟内从30.00℃到34.15℃,衣服中应变传感器监测到的呼吸信号频率约为16次/分。在衣服加热模式的作用下,人体温度从34.15℃上升到36.22℃,呼吸频率从16次/min上升到21次/min,6分钟内呼吸强度下降20%。然而,志愿者的衣服改为棉布后,温度下降到34.19℃,呼吸频率下降到17次/min,呼吸强度再次增加了
20%,这证明了加热模式的有效性和制备的传感器的可靠性。因此,人们可以通过皮肤感知、衣服上的温度感测或应变感测(即呼吸频率和呼吸强度)来判断制作的衣服的穿着侧。
通过这种方式,人们可以在多功能纳米纤维布的帮助下降低极端温度下的伤害和死亡率。
[0098] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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