一種基于棉織物的高性能碳納米管復(fù)合熱電織物

熱電織物在可穿戴電子器件供電領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。但目前在該領(lǐng)域廣泛使用無機熱電材料或碳納米管纖維，制備工藝復(fù)雜、成本高昂，且此類材料的機械性能較低、穿著舒適性欠佳，限制了熱電織物的發(fā)展。而在傳統(tǒng)紗線表面沉積熱電材料制備熱電紗線，具有簡單易行、易于擴展的優(yōu)勢，受到研究者的廣泛關(guān)注。近日，蘇州大學(xué)研究團隊通過簡單的兩步浸漬工藝在傳統(tǒng)棉紗的基礎(chǔ)上制備了具有高熱電性能的碳納米管復(fù)合紗線，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了柔性熱電織物，實現(xiàn)了從人體熱能到電能的有效轉(zhuǎn)化。

研究人員通過分段摻雜的方法將碳納米管復(fù)合紗線改性，成功制備了75對p-n間隔結(jié)構(gòu)的熱電復(fù)合紗線。具體的方法為：首先通過低濃度單壁碳納米管分散液浸漬棉紗，使單壁碳納米管在棉紗內(nèi)有效分散；其次用高濃度多壁碳納米管/水性聚氨酯復(fù)合分散液涂覆棉紗表面，從而獲得具有高碳納米管負載量、附著穩(wěn)定及工藝成本低廉的碳納米管復(fù)合紗線。

相關(guān)測試結(jié)果表明，碳納米管不僅大量負載在棉紗內(nèi)部，而且在棉紗表面形成了致密的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。由于引入了水性聚氨酯，經(jīng)過6萬次不同角度的循環(huán)彎曲試驗后，碳納米管復(fù)合紗線的導(dǎo)電性能不變。因此，通過該工藝不僅有效提升了碳納米管的附著穩(wěn)定性，而且保持了復(fù)合紗線良好的機械拉伸性能。

研究人員利用制備的熱電紗線構(gòu)筑了全柔性、具有優(yōu)異熱電轉(zhuǎn)化效果的尺寸為8.5 cm×5.5 cm×1.0 cm的熱電織物，并探究了其在實際應(yīng)用中的效果。結(jié)果表明，在室內(nèi)與戶外的實際穿戴過程中，該熱電織物可以在人體手臂有效構(gòu)建溫差并實現(xiàn)了20～45 mV的電壓輸出，表明其可以有效收集人體熱能，而且熱電織物的收集效率與穿戴所處的環(huán)境有一定的關(guān)系。另外，熱電織物的電壓輸出與其上下表面溫差有關(guān)，因此可用于環(huán)境溫度監(jiān)測中觸覺傳感器；在升壓電路的輔助下，熱電織物也可以收集人體熱能從而直接驅(qū)動計時器和LED燈。

相關(guān)工作以“Facile Fabrication of Cotton-Based Thermoelectric Yarns for the Construction of Textile Generator with High Performance in Human Heat Harvesting”為題發(fā)表在Advanced Fiber Materials上。