隨著信息化社會的快速發(fā)展，可穿戴電子設(shè)備在健康監(jiān)測、環(huán)境感知等領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值日益凸顯，但其續(xù)航能力受限于電池壽命（最新柔性鋅空氣電池僅能工作40-150小時(shí)），頻繁充電成為用戶使用痛點(diǎn)。摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）雖能收集人體運(yùn)動(dòng)能量實(shí)現(xiàn)自供電，但傳統(tǒng)紡織基TENG在環(huán)境適應(yīng)性及全天候溫度調(diào)控方面存在嚴(yán)重局限：靜態(tài)溫控材料僅支持單一制冷或制熱功能，無法應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境變化；光熱材料則依賴不穩(wěn)定的光照條件。如何在同一設(shè)備中集成雙向溫控與高效能量收集，成為行業(yè)長期未解的難題。

河南大學(xué)楊文勝教授、曹瑞瑞副教授，北京航空航天大學(xué)潘曹峰教授以及中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所高文超研究員合作，首次開發(fā)出基于熱管理織物的納米摩擦發(fā)電多功能智能紡織品（PTMT-TENG），成功融合三大核心功能：1）能量收集：摩擦電層功率密度達(dá)8762 μW/m2，較傳統(tǒng)TENG提升325.8%，可為電子表等設(shè)備供電；2）自適應(yīng)溫控：夜間低溫環(huán)境升溫4.4℃，高溫環(huán)境降溫3.8℃，結(jié)合光熱效應(yīng)在寒冷白晝實(shí)現(xiàn)15.9℃的保暖提升；3）自供電傳感：精準(zhǔn)識別人體動(dòng)作信號，同時(shí)具備透氣性、柔韌性與自清潔特性。相關(guān)成果以“Multipurpose Smart Textile with Integration of Efficient Energy Harvesting, All-Season Switchable Thermal Management and Self-Powered Sensing”為題，發(fā)表在期刊《Advanced Functional Materials》上。

該紡織品采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1）：外層為雙模式熱管理層（DSTML），中層為摩擦發(fā)電層，內(nèi)層為基底層。DSTML通過同軸靜電紡絲技術(shù)將相變材料n-十八烷（n-OD）封裝于聚多巴胺（PDA）包裹的PVDF-HFP纖維中，形成核殼結(jié)構(gòu)。當(dāng)環(huán)境溫度波動(dòng)時(shí)，n-OD通過固-液相變吸收/釋放潛熱（如低溫凝固放熱，高溫熔化吸熱），而PDA則利用共軛結(jié)構(gòu)中的π電子弛豫效應(yīng)，將太陽光高效轉(zhuǎn)化為熱能。

圖1. 多功能POA-PGC紡織品的制備流程、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理示意圖。

掃描電鏡與元素圖譜（圖2）證實(shí)了核殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。纖維直徑隨n-OD注入量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，最佳注入量為0.9 mL/h（PO0.9樣品）。該材料相變焓高達(dá)89.2 J/g（圖3a），遠(yuǎn)超近期報(bào)道的同類材料（圖3b）。在10℃環(huán)境中可升溫4.0℃，40℃環(huán)境中降溫3.4℃（圖3c），紅外熱像圖清晰顯示其延遲變色特性（圖3d）。經(jīng)100次冷熱循環(huán)后，相變焓僅損失6.7%-8.6%（圖3e-g），分解溫度達(dá)135℃，滿足可穿戴設(shè)備穩(wěn)定性需求。

圖2. 多功能POA-PGC紡織品的結(jié)構(gòu)與形貌。

圖3. PO系列樣品的相變特性。

PDA賦予材料86.4%的光熱轉(zhuǎn)換效率（圖4f），在100 mW/cm2光照下90秒內(nèi)升溫31℃（圖4c）。雙模式設(shè)計(jì)突破單一溫控局限：寒冷白晝，PDA快速升溫疊加n-OD蓄熱，實(shí)現(xiàn)持續(xù)保暖；夜晚或無光時(shí)，相變材料單獨(dú)調(diào)控溫度。10次循環(huán)測試（圖4g）驗(yàn)證了該機(jī)制的可靠性。

圖4. POA的雙模式熱管理特性。

在PVDF-HFP基質(zhì)中加入1.5%石墨烯（GN）與0.5%碳納米管（CNT）后（圖5a），摩擦電層開路電壓提升至77 V，功率密度達(dá)8762 μW/m2（圖5b）。介電常數(shù)提高1.48倍（圖5c），電活性β相含量從75.5%增至82.6%（圖5e）。經(jīng)10000次擠壓循環(huán)（圖5g）及10個(gè)月自然存放后，性能保持率超93%，水洗后仍能穩(wěn)定工作。

圖5. PGC-TENG的摩擦電輸出性能。

材料透氣率（761 g/m2·h）接近棉織物（圖6a），水蒸氣可自由穿透（圖6b）。疏水性（接觸角130.9°）賦予其“自清潔”能力，可排斥泥水與灰塵。實(shí)際應(yīng)用中（圖6e），4.5 cm×4.5 cm的紡織品成功驅(qū)動(dòng)電子表運(yùn)行；作為傳感器（圖6g），其可精準(zhǔn)識別手指敲擊次數(shù)與頻率。

圖6. 基于POA-PGC的PTMT-TENG的多功能應(yīng)用。

在模擬環(huán)境中（圖7a）：1）寒冷夜間：相變材料放熱使織物表面溫度較棉布高4.4℃（圖7b,e）；2）寒冷白晝：光熱與相變協(xié)同實(shí)現(xiàn)15.9℃溫升（圖7c,g）；3）高溫環(huán)境：相變吸熱產(chǎn)生3.8℃降溫效果（圖7d,i）。同步運(yùn)動(dòng)能量收集實(shí)驗(yàn)（圖7f,h,j）證明其在極端環(huán)境下仍可供電。

圖7. POA-PGC多功能紡織品的全季節(jié)個(gè)人熱管理（PTM）與運(yùn)動(dòng)能量收集。

該研究首次將高效能量收集、雙向自適應(yīng)溫控與自供電傳感集成于單一紡織品，突破可穿戴設(shè)備的能源與舒適性瓶頸。所用原料均為廉價(jià)商用產(chǎn)品，具備規(guī)?；苽涞臐摿Α＿@一突破為下一代智能紡織品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)開辟了新路徑，在醫(yī)療監(jiān)護(hù)、運(yùn)動(dòng)裝備及極端環(huán)境作業(yè)服等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

來源：高分子科學(xué)前沿