青岛大学：高弹性、多响应的CNT-G-PCM@PU光纤，用于穿戴电子产品

成果简介

能够智能感知外部环境变化并快速响应的智能纤维已成为编织可穿戴系统的重要组成部分。将湿纺相变材料（PCM）制成智能织物，为智能调节温度和实现个性化热舒适带来了巨大希望。然而，PCM 固有的低机械弹性和刺激响应性严重阻碍了其在可穿戴系统中的应用。

本文，青岛大学苗锦雷等研究人员《Compos. Commun》期刊发表名为“Highly conductive and elastic multi-responsive phase change smart fiber and textile”的论文，研究通过湿法纺丝将PCM微胶囊嵌入具有双重响应网络的弹性聚氨酯中，开发出了一种基于PCM的超弹力智能纤维，可用于个人医疗保健和热管理。有机聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）将无机碳纳米管/石墨烯骨架 "粘合 "在弹性纤维上，形成三维分层互连的响应和敏感网络，不仅对多种刺激（机械/电/热/光）表现出高灵敏度，而且有利于 PCM 微胶囊之间有效的载流子传输，从而实现快速响应。

基于 PCM 的弹性智能纤维具有高机械伸缩性（大于 200%），不仅能无缝适应剧烈的大运动，还能将这些变形转化为电信号，用于医疗保健监测。此外，可拉伸的导电 PCM 基智能纤维（1.96×104 S/m）即使在大机械变形的情况下仍能保持强大的刺激响应能力，具有出色的焦耳热和光热效应，可在响应过程中将多重刺激转化为潜在热能并存储起来，用于自供电的个人热管理。基于 PCM 的坚固智能纤维具有出色的打结能力，可编织成大规模透气纺织品。这种基于PCM的可拉伸多响应纤维在新兴的可穿戴电子设备和智能纺织品领域具有巨大潜力。

图文导读

图1.（a） 多刺激响应相变光纤的制备过程示意图。在卷（b）和各种机械变形（c）下收集的智能光纤的光学照片。（d） PU、PCM@PU和CNTs-G-PCM@PU纤维的应力-应变曲线。（e） 拉伸载荷为20 g的坚固CNTs-G-PCM@PU的光学照片。（f-h） 智能纤维中一维碳 纳米管“桥接”二维石墨烯网络内部形貌的透射电镜图像。（i）一维碳纳米管与二维石墨烯协同效应示意图。（j） 智能光纤的电阻随浸泡时间的变化。（k） 智能光纤浸泡1次后的电阻，导电性稳定。

图 2.（a-c）CNTs-G-PCM@PU纤维的偏光显微镜图像，具有拉直和打结状态。（d） CNTs-G-PCM@PU纤维表面的SEM照片。（e） CNTs-G-PCM@PU纤维截面的SEM图像和相应的元素映射图像。（f-h）不同放大倍率下CNTs-G-PCM@PU纤维横截面的SEM图像。（i、j）不同放大倍率下CNTs-G-PCM@PU纤维表面的SEM图像。（k） CNTs-G-PCM@PU纤维表面的SEM图像和相应的元素映射图像。由CNTs/石墨烯连接不同放大倍率（l-n）的microPCM构建的内部网络的SEM图像，以及相应的示意图（o）。

图3.（a） 智能响应光纤对阳光和电刺激的响应示意图。（b） PEDOT、碳纳米管和具有高度π共轭结构的石墨烯之间强π-π界面相互作用示意图。（c、d）智能响应光纤的电刺激响应曲线和相应的红外图像。（e-f）智能响应光纤的光刺激响应曲线和相应的红外图像。

图4.（a） CNTs-G-PCM@PU纤维编织的平纹织物示意图和照片。（b） microPCMs的DSC曲线。（c） CNTs-G@PU和CNTs-G-PCM@PU的电刺激响应曲线和相应的放大图像。（d） CNTs-G@PU和CNTs-G-PCM@PU的光刺激响应曲线和相应的放大图像。（e） 智能CNTs-G-PCM@PU基织物蓄热和释放过程的温度调节示意图。

图5.（a-d）检测各种人体动作，如手指、手腕、手臂和腿部弯曲行为。（e） 智能碳纳米管-G-PCM@PU纤维在机械变形过程中的相对电阻变化示意图。

小结

综上所述，通过连续湿纺成功开发了一种用于高效个人保健和热管理的弹性智能多响应相变材料纤维。将嵌入具有双响应网络的弹性PU中的相变材料微胶囊纺成智能纤维：添加少量碳纳米管/石墨烯作为第一级响应网络，连接微相变材料实现高效电子/光子转移，而将PEDOT：PSS“粘合”的高浓度碳纳米管/石墨烯包覆在聚氨酯表面，作为高刺激响应的第二级网络。智能CNTs-G-PCM@PU光纤不仅对电、热、温度、光等多重刺激表现出优异的响应能力，而且可以将其转化为潜热能，在响应过程中进行个性化的热管理。

此外，具有超过200%机械拉伸性的刺激响应智能纤维，不仅可以无缝适应弯曲的人体皮肤，还可以将这些机械变形转化为字符信号，用于个性化的医疗监测。同时，基于相变材料的高弹性智能纤维具有强大的焦耳热和光热效应，在机械变形下仍能保持优异的刺激响应能力，可进一步发展用于自供电的个性化医疗和热管理。高弹性、多响应的 CNTs-G-PCM@PU 光纤在下一代可穿戴电子产品和智能纺织品中具有巨大的前景。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.coco.2023.101772