学术科研
东华大学王宏志课题组研发出一款舒适且稳定的电子织物材料
时间:2019-12-17 11:38  浏览:293
  东华大学王宏志教授课题组依据“全纤维”的设计原则,开发出一种摩擦/铁电协同电子织物材料,这种材料具有湿热稳定性和舒适性。这项研究成果被写入论文,发表在国际知名学术期刊《自然•通讯》(Nature Communications)上,题目是《具有湿热稳定性和舒适性的摩擦/铁电协同电子织物材料》(“All-fiber tribo-ferroelectric synergisticelectronics with high thermal-moisture stability and comfortability”,DOI:10.1038/s41467-019-13569-5)

       随着可穿戴电子设备的蓬勃兴起,人们对随身能源的需求逐渐增大,基于织物的能源器件引起了人们极大的兴趣。然而,体表与环境复杂多变的湿热条件往往会影响电学织物的性能。此外,这些随身设备的透气、透湿及可水洗性也逐渐成为研究者关注的焦点。

       在本研究中,研究人员利用静电纺丝技术制备了铁电聚合物(P(VDF-TrFE))和聚酰胺6(PA6)两种纳米纤维作为功能材料,通过摩擦表面极化和铁电极化的相互作用,实现了摩擦/铁电协同电学增强。这种电子织物材料在低频外力作用下可产生5.2 W·m-2的峰值功率密度。

(a)和(b)电子织物材料的实物和结构示意图;(c)P(VDF-TrFE)纳米纤维铁电体的电滞回线;(d)摩擦/铁电协同模型示意图
(a)和(b)电子织物材料的实物和结构示意图;(c)P(VDF-TrFE)纳米纤维铁电体的电滞回线;(d)摩擦/铁电协同模型示意图

       研究人员利用亲水聚丙烯腈(PAN)和聚酰胺6微纳米纤维和疏水棉织物构筑了额外的吸湿排汗层。全纤维的设计理念,保证了织物材料优良的透气和透湿性能,其较低的干态热阻和蒸发阻有利于维持舒适的体表微环境。

(a)电子织物材料的透气、透湿及吸湿排汗功能示意图;(b)和(c)亲水纤维的多级网络结构及直径分布
(a)电子织物材料的透气、透湿及吸湿排汗功能示意图;(b)和(c)亲水纤维的多级网络结构及直径分布

电子织物
      
       此外,研究人员还演示了电子织物在弯折、抖动时驱动液晶显示器、数字化发光点阵、电子手表,以及为锂电池充电、驱动蓝牙信号传输系统、实时捕捉足部姿态等应用。

       电子织物包括机织纺织品、针织纺织品、无纺布纺织品、层压纺织品、编织纺织品、刺绣纺织品以及带有电子集成元件的印制纺织品。这些材料中包括导电纤维、导电纱线、导电涂层、导电刺绣图案和导电叠片。电子元器件可以是传感器(生理或环境下使用)、可穿戴式计算机技术、可穿戴执行器和控制元件、集成线路、LED、OLED和电池等等。元器件可以是无源元器件(例如光纤)也可以是有源元器件,甚至可以是交互式元器件。

       电子纺织物/智能纺织物部件的构建取决一些因素。以医疗领域为例,一共可以有3种外用产品:术后、康复和慢性病治疗。每种产品的终端使用预期、价位和保修/耐用程度需求都不一样。大多数人甚至都不知道术后产品的价格是多少,因为术后产品通常通过保险支付。这类产品可能只需要用几小时或几天。但有些康复治疗产品是不在保险范围内的,人们可能会关注价格。这种产品的使用时长是几天或几周。多数情况下,用于治疗慢性疾病的OTC或处方类产品一定要有价格优势,而且这类产品的使用时间可能是几周、几个月甚至是一年。

       医疗产品的传感器是最昂贵的,因为这类产品要经过FDA流程(ISO13485)。可能要花上一年的时间并且需要投入大量资金进行临床试验。审核设计和生产流程的过程中还会涉及到很多存档和风险管理工作,从而保证质量和精确度达标、产品无缺陷、无害等等。产品召回意味着会招致集体诉讼。

       与其他消费品一样,开发出体育应用类非处方产品的时间线也是如此:从开发到销售要花上3个月到6个月的时间。也许有安全协议,也许没有。这个产品领域的目标是完成实际销售。最大的风险是减价、退单拒付和退货。召回是很少见的情况。这两个行业中,整个产品的开发流程和可靠性问题是完全不同的,但它们可以开发相似的项目。
 
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