隨著信息電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，功能多樣的柔性穿戴器件受到了越來(lái)越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的柔性器件，如智能織物，通常需要復(fù)雜的疊層設(shè)計(jì)或精密的功能模塊集成。特別是在高度集成的情況下，不但影響了穿著舒適性，而且增加了設(shè)計(jì)加工的難度，對(duì)熱管理和持續(xù)能量供應(yīng)都提出了更高的要求。同時(shí)，這種復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)也為污染和細(xì)菌繁殖提供了難以被清理的空間，對(duì)器件耐久性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性造成負(fù)面影響。因此，考慮到后續(xù)功能集成度的進(jìn)一步提升，需要對(duì)現(xiàn)有的多功能柔性穿戴器件中的主要功能進(jìn)行集成設(shè)計(jì)和綜合優(yōu)化，讓材料和結(jié)構(gòu)間相互協(xié)作，同時(shí)發(fā)揮多項(xiàng)作用，從而為后續(xù)的功能需求預(yù)留足夠的設(shè)計(jì)空間。
為了解決這一問(wèn)題，浙江大學(xué)呂建國(guó)副研究員、楊士寬研究員和馬耀光研究員等課題組合作共同提出了一種在織物中合理化集成自清潔、能量收集和熱管理功能的策略，針對(duì)性地選擇了疏水表面、光催化抗菌、摩擦納米發(fā)電機(jī)和日間輻射制冷等要素進(jìn)行了綜合性設(shè)計(jì)。作為示范，利用連續(xù)靜電紡絲法制備了一種三明治結(jié)構(gòu)的多層織物 (MLF)，具體為在兩層P(VDF-HFP)織物中插入一層攜帶SiO2/ZnO/ZIF-8 (SZZ) 核殼納米顆粒的P(VDF-HFP)織物。這種策略對(duì)于其他紡絲方法具有普適性，在規(guī)?；a(chǎn)中表現(xiàn)出了極大的潛力。相關(guān)工作以“Multifunctional Smart Fabrics with Integration of Self-Cleaning, Energy Harvesting, and Thermal Management Properties”為題發(fā)表在了《ACS Nano》。
圖1. 材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用
圖2. 織物的結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)
織物的疏水性及抗菌性
圖3. 織物的疏水性和抗菌性能
圖4. TENG的工作機(jī)理和電化學(xué)性能
熱管理能力是智能織物最重要的功能之一，既能確保電子設(shè)備的正常運(yùn)行，又能實(shí)現(xiàn)穿著的舒適性。在SZZ核殼納米顆粒和MLF的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)84.7%的太陽(yáng)反射率和94.9%的大氣窗口（8-13 μm）紅外發(fā)射率。針對(duì)SZZ納米顆粒不可避免吸收的紫外能量，MLF能夠?qū)⒃撃芰坑糜趦r(jià)帶電子激發(fā)和光催化抗菌，讓抗菌性和熱管理能力形成協(xié)同作用。
與商用棉織物相比，MLF 不但能在不同氣象狀況下抵御熱應(yīng)激，而且能對(duì)熱環(huán)境進(jìn)行快速反應(yīng)。MLF在戶外的不同氣候下都展現(xiàn)出了顯著的輻射制冷能力。以室外晴天條件為例，模擬皮膚表面的MLF相比于棉布和裸露皮膚分別降低了12.0℃和2.9℃。此外，MLF 還具有良好的柔韌性，可以被方便地加工成不同的形狀。這項(xiàng)工作還演示了MLF在服裝、車衣和屋頂遮陽(yáng)中的熱管理應(yīng)用，具有重要的應(yīng)用潛力。
圖5. 織物的輻射制冷性能測(cè)量
圖6. 織物的模擬熱管理應(yīng)用
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為了解決這一問(wèn)題，浙江大學(xué)呂建國(guó)副研究員、楊士寬研究員和馬耀光研究員等課題組合作共同提出了一種在織物中合理化集成自清潔、能量收集和熱管理功能的策略，針對(duì)性地選擇了疏水表面、光催化抗菌、摩擦納米發(fā)電機(jī)和日間輻射制冷等要素進(jìn)行了綜合性設(shè)計(jì)。作為示范，利用連續(xù)靜電紡絲法制備了一種三明治結(jié)構(gòu)的多層織物 (MLF)，具體為在兩層P(VDF-HFP)織物中插入一層攜帶SiO2/ZnO/ZIF-8 (SZZ) 核殼納米顆粒的P(VDF-HFP)織物。這種策略對(duì)于其他紡絲方法具有普適性，在規(guī)?；a(chǎn)中表現(xiàn)出了極大的潛力。相關(guān)工作以“Multifunctional Smart Fabrics with Integration of Self-Cleaning, Energy Harvesting, and Thermal Management Properties”為題發(fā)表在了《ACS Nano》。
多層織物的制備與表征
這項(xiàng)工作將功能集成設(shè)計(jì)分解到了納米顆粒制備與織物制備兩個(gè)階段（圖1）。在納米顆粒制備階段，首先在低折射率SiO2表面均勻包覆高折射率ZnO層，再進(jìn)一步將表面的ZnO轉(zhuǎn)化為ZIF-8，得到SiO2/ZnO/ZIF-8 (SZZ) 核殼納米顆粒。在織物制備階段，將SZZ納米顆粒分散到P(VDF-HFP)溶液中，利用靜電紡絲陸續(xù)制備出P(VDF-HFP)層 (PF)，SZZ@P(VDF-HFP)層 (SPF) 和P(VDF-HFP)層，最終得到MLF（圖2）。圖1. 材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用
圖2. 織物的結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)
織物的疏水性及抗菌性
疏水性和抗菌性對(duì)于減少污染和清除細(xì)菌生長(zhǎng)具有重要意義。P(VDF-HFP)作為一種含氟聚合物，表面能較低，展現(xiàn)出穩(wěn)定的疏水性（WCA=134.3°），在10min內(nèi)僅下降了6.4°。MLF能夠很好地抗拒水性溶劑的侵入，在和棉布對(duì)比進(jìn)行清潔測(cè)試時(shí)，其表面的水滴可以有效地帶走表面污染物。另一方面，SZZ納米顆粒表面的ZIF-8可以展現(xiàn)顯著的光催化抗菌活性。MLF具有高效、穩(wěn)定和廣譜的抗菌活性。其對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率均＞99.9%，并且在模擬清洗10次后，抗菌活性完全沒(méi)有下降。
圖3. 織物的疏水性和抗菌性能
織物的摩擦發(fā)電性能
動(dòng)態(tài)能量收集功能可幫助智能織物實(shí)現(xiàn)有效的能量利用，同儲(chǔ)能裝置結(jié)合后有望實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期能量供應(yīng)。作為演示，將MLF和尼龍薄膜結(jié)合制造了簡(jiǎn)單的TENG器件。由于摩擦起電和靜電感應(yīng)的機(jī)制，在電位差的作用下產(chǎn)生了摩擦電流。該期間的最大輸出功率為10.97 mW·m-2。在不同的工作頻率下，M-TENG 的開(kāi)路電壓（VOC）可達(dá) 48.99 V，短路電流（ISC）從2.11 µA 增至3.73 µA。在連續(xù)工作 9600個(gè)循環(huán)后，器件仍然保持良好的性能穩(wěn)定性。
圖4. TENG的工作機(jī)理和電化學(xué)性能
織物的熱管理能力
與商用棉織物相比，MLF 不但能在不同氣象狀況下抵御熱應(yīng)激，而且能對(duì)熱環(huán)境進(jìn)行快速反應(yīng)。MLF在戶外的不同氣候下都展現(xiàn)出了顯著的輻射制冷能力。以室外晴天條件為例，模擬皮膚表面的MLF相比于棉布和裸露皮膚分別降低了12.0℃和2.9℃。此外，MLF 還具有良好的柔韌性，可以被方便地加工成不同的形狀。這項(xiàng)工作還演示了MLF在服裝、車衣和屋頂遮陽(yáng)中的熱管理應(yīng)用，具有重要的應(yīng)用潛力。
圖5. 織物的輻射制冷性能測(cè)量
圖6. 織物的模擬熱管理應(yīng)用
