【摘 要】
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柔性可穿戴元件轻质、灵活柔韧、智能高效,对未来穿戴的发展具有变革性潜力。随着个人热管理领域日益增长的需求,高性能多功能可穿戴电子元件是人类健康应用的高要求,如智能感温感压电加热服装和可穿戴热治疗装置,兼具丰富的应用人群,可提供给低温生活者和工作者及易寒老人们,具有一定的经济效益和社会效益。本课题以聚丙烯腈(PAN)为原料,通过静电纺丝工艺、预氧化工艺、碳化工艺和浸渍干燥法制备碳纳米纤维/热塑性聚氨
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柔性可穿戴元件轻质、灵活柔韧、智能高效,对未来穿戴的发展具有变革性潜力。随着个人热管理领域日益增长的需求,高性能多功能可穿戴电子元件是人类健康应用的高要求,如智能感温感压电加热服装和可穿戴热治疗装置,兼具丰富的应用人群,可提供给低温生活者和工作者及易寒老人们,具有一定的经济效益和社会效益。本课题以聚丙烯腈(PAN)为原料,通过静电纺丝工艺、预氧化工艺、碳化工艺和浸渍干燥法制备碳纳米纤维/热塑性聚氨酯复合膜(CNFFs/TPU),分析碳化温度对表面形貌、拉曼光谱、电学性能、润湿性能以及力学性能的影响。其次,设计并制作多功能柔性叉指电极,与CNFFs/TPU和织物结合制备柔性加热传感元件(CNFFs-HSE),结合传热学理论,分析碳化温度对固定规格的CNFFs-HSE电加热性能的影响,同时测试CNFFs-HSE的热稳定性。然后,根据上述因素响应传感性能的影响,测试其作为柔性压阻传感器的灵敏度、迟滞性和重复性。最后进行实际应用测试(如脉搏跳动及肘关节运动)。结果表明:预氧化工艺可使分子链在碳化过程中保持稳定,碳化工艺可使聚丙烯腈纳米纤维转为石墨化结构的碳纳米纤维。多次干燥-浸渍处理后,TPU均匀包覆在纤维表面,CNFFs/TPU具有良好的柔韧性、导电性和抗弯曲性。碳化温度影响CNFFs-HSE的加热性能和传感性能。其中CNFFs-HSE-1000的方阻为28.83Ω/sq,在4 V电压下可快速升温至64.73℃,温差变化为6.15%,且最大平衡温度与功率密度呈高度线性相关,表现出良好的升温特性和表面温度均匀性及热稳定性。同时拥有高灵敏度(83.022KPa-1)、低迟滞性(23.2%)以及良好的稳定性(≥3000次)。因此,基于碳化聚丙烯腈纳米纤维膜制备的CNFFs-HSE进行加热理疗同时也可实时监测人体生理信号,如进行脉搏监测和肘部运动监测,在人体的防寒保暖、健康理疗、健康监测和疾病诊断方面巨大的应用潜力。
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