2016年11月11日 星期五 09:15:33
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东华大学研发出具有快干和降温功能的智能鞋垫

发表时间:2021/3/11

在剧烈运动、体力劳动或炎热的环境下,出汗会给身体带来明显的不适感。为提高水分的蒸发速率,需要将水分子重新排列或破坏其氢键网络。通常,破坏水团簇结构的方法包括加热、激光辐射、磁场、电场等,但这些方法均不适用于纺织品。因此,需要找到一种安全可靠的可穿戴技术,以促进纺织品中水分的蒸发。



近日,东华大学的研究团队制造了一种铁电增强型摩擦电蒸发织物(FETET),其包括铁电增强型纳米摩擦发电机(FETENG)和定向吸湿芯(DMWF)两部分。将主动摩擦电场极化和被动芯吸耦合,大型水簇可分解为小型水簇或水单体,从而使纺织品的水蒸发速率提高4.4倍。与最好的商业鞋垫(CI)相比,穿着FETET智能鞋垫(SI)的跑步者经过40min运动后皮肤温度下降了0.8℃。



FETET包括改性尼龙(MN)网眼、纤维素/聚酯(CP)非织造布、聚酰胺6(PA6)亲水性纤维膜、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))纤维膜以及硅橡胶包裹的导电海绵。湿热性能测试表明它具有优异的导热性,并且在摩擦电蒸发冷却过程中能保持良好的传热能力。


受植物启发的芯吸-极化耦合效应和纺织品的湿热性能


研究表明,整个芯吸过程是垂直方向上的定向且不可逆过程。另外,沿着纤维通道水平方向的拉普拉斯压力也将加速汗液在膜表面的扩散。被动芯吸过程源于不同层之间的润湿梯度和孔径,汗液流过MN层到达CP层和PA6层。PA6纳米纤维对汗液具有更高的渗透和扩散驱动力以及更大的比表面积,因此蒸发更快。


润湿梯度和孔径对芯吸的影响


为了实现芯吸-极化耦合效应,需要铁电增强的摩擦电场来促进液态水的蒸发。研究者通过高压静电纺丝制备了自极化P(VDF-TrFE)纤维膜,并且电场下的铁电纤维膜可以切换偶极子的排列方向。最终,FETENG借助铁电极化和摩擦电场之间的协同作用产生较大的输出,当负载电阻为60 MΩ时,其最大瞬时功率密度约为135 W/m3


具有主动极化功能的铁电增强的摩擦电场


实验数据进一步证实了芯吸-极化耦合机制的合理性。与没有摩擦电场的情况相比,FETET的水蒸发速率从0.005增加到0.008 g/min。与传统的吸湿排汗织物相比,摩擦电蒸发织物的水分蒸发率分别比亲水性棉织物和亲水性聚酯织物高4.4倍和3.6倍。


具有运动快干和降温功能的无线运动监控鞋垫


此外,FETET智能鞋垫还可将人体步行信号通过芯片和蓝牙模块无线传输到手机。更重要的是,在摩擦电蒸发的刺激下,鞋垫具有良好的湿热性能。新型铁电增强摩擦电蒸发纺织品可应用于人体运动的自充电和自感应无线监控系统,以及智能和高性能服装的开发,为传统服装行业带来创新。


论文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202007352


(来源:纺织导报官微)