一種基于棉織物的高性能碳納米管復合熱電織物

熱電織物在可穿戴電子器件供電領域具有潛在的應用價值。但目前在該領域廣泛使用無機熱電材料或碳納米管纖維，制備工藝復雜、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展。而在傳統紗線表面沉積熱電材料制備熱電紗線，具有簡單易行、易于擴展的優勢，受到研究者的廣泛關注。近日，蘇州大學研究團隊通過簡單的兩步浸漬工藝在傳統棉紗的基礎上制備了具有高熱電性能的碳納米管復合紗線，并在此基礎上構建了柔性熱電織物，實現了從人體熱能到電能的有效轉化。

研究人員通過分段摻雜的方法將碳納米管復合紗線改性，成功制備了75對p-n間隔結構的熱電復合紗線。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有效分散；其次用高濃度多壁碳納米管/水性聚氨酯復合分散液涂覆棉紗表面，從而獲得具有高碳納米管負載量、附著穩定及工藝成本低廉的碳納米管復合紗線。

相關測試結果表明，碳納米管不僅大量負載在棉紗內部，而且在棉紗表面形成了致密的導電網絡。由于引入了水性聚氨酯，經過6萬次不同角度的循環彎曲試驗后，碳納米管復合紗線的導電性能不變。因此，通過該工藝不僅有效提升了碳納米管的附著穩定性，而且保持了復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筑了全柔性、具有優異熱電轉化效果的尺寸為8.5 cm×5.5 cm×1.0 cm的熱電織物，并探究了其在實際應用中的效果。結果表明，在室內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建溫差并實現了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境有一定的關系。另外，熱電織物的電壓輸出與其上下表面溫差有關，因此可用于環境溫度監測中觸覺傳感器；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動計時器和LED燈。

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