青岛大学曲丽君教授与深圳大学张学记教授合作《ACS NANO》：一种基于多尺度无序孔纤维制备的兼具自传感与凉感的智能运动衣

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智能服装在人体健康监测和自适应等可穿戴领域有着广泛的应用前景。然而，目前的可穿戴传感器往往因难以与普通服装无缝结合而限制了传感能力和穿戴体验。

为了尝试解决这个问题，并赋予服装穿戴舒适性，青岛大学曲丽君教授团队和深圳大学张学记教授团队合作，通过微流控纺丝技术制备了具有多尺度无序多孔结构的弹性纤维（MPPU），该纤维具有非常好的导热性能，可给人带来接触凉感的舒适感受。经石墨烯改性后，研究发现该纤维具有优异的拉伸和温度传感性能，可作为传感单元，通过普通的纺织织造方式，无缝的制作出将应变、温度传感和凉感集成于一体的智能运动衣（图1）。

图1. 智能运动衣是采用微流控纺丝技术和石墨烯后处理制得的弹性纤维，通过常规织造方式构建而成，兼具自感应和自冷却的性能。这种智能服装在人体健康监控和自适应方面存在着广泛的应用潜力。

图2. MPPU纤维的成型机理和自冷效应。a)径向多孔结构形成过程示意图。b) MPPU纤维形成过程的时间尺度和不同时间节点上的横截面SEM照片。c)MPPU₁₀纤维纳米和微孔的尺寸分布。d)普通面料与MPPU面料的对比示意图。e)棉、莱卡、MPPU₁₀面料的红外光线透过率。f) MPPU弹性纤维的力学性能。g, h) 50g载荷下MPPU₁₀纤维的拉伸行为。

微流控纺丝技术是近年来新兴的一种纺丝技术，利用微流体的层流特性和扩散特性，可通过改变芯片中微通道设计、流体粘度、微通道中流体流速等参数来调控纤维的结构和尺寸，在结构可控功能可设计纤维材料的制备上具有独特优势和广阔的应用前景。本文采用微流控纺丝技术，通过控制纺丝液浓度和微流体在芯片通道内的流速比，制备出具有多尺度无序多孔结构的聚氨酯弹性纤维，并对其在微通道内的形成过程进行了探索研究（图2）。与普通织物相比，独特的多尺度无序多孔结构使得MPPU纤维对人体红外辐射具有较高的透过率，使得皮肤与衣物之间的微环境温度比同等厚度的棉织物下降至少2.5℃。且通过石墨烯改性后的MPPU纤维还具有高应变系数(GF)和热阻系数(TCR)，因而具有实时的应变和温度传感能力，可以用于监测体温、跟踪人体运动状态以及收集心率等生理信号(图3)。

图3. 智能运动衣示意图及其在人体运动和生命信号监测中的应用。a) 智能运动衣的前、后、侧视图，设计了9个感知区。G@MPPU传感感知区的响应曲线:b)吞咽、c)说话、d)拉伸运动、e)行走、f)扩胸、g)呼吸、h)侧扭、i)脉搏、j)手指弯曲。k, l)基于蓝牙的无线监测示意图和照片。m)通过手机APP接收到的各种手指弯曲动作的数据。

以上成果近期发表于学术期刊ACS NANO（影响因子：13.093），论文题目为“Multiscale Disordered Porous Fibers for Self-Sensing and Self-Cooling Integrated Smart Sportswear”，该论文共同第一作者为青岛大学博士研究生胡希丽和田明伟副教授，共同通讯作者青岛大学曲丽君教授、深圳大学张学记教授以及北京科技大学许太林教授，青岛大学为第一单位，北京科技大学、曼彻斯特大学和深圳大学为合作单位。

青岛大学智能可穿戴技术研究中心成立于2018年6月，融合电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多学科与技术，结合新材料开发、传感新方法及传感新器件的构建与设计。近期在柔性纺织传感器（Nano Lett. 2019, 19, 6592−6599；Macromol. Mater. Eng., 2019, 1900244; IND. ENG. CHEM. RES.,2019,58.14,5737; COMPOS. PART. A-APPL. S,2019,117,202）、智能纤维（Carbon,2019,152,106; J. ALLOY. COMPD., 2019, 782,986; CARBOHYD. POLYM.,2014,111,456;）、功能纺织品(ACS APPL MATER INTER，2019,11,46278；IND. ENG. CHEM. RES.,2018,57.40,13437; APPL. SURF. SCI.,2016,377,141; Carbon,2016,96,1166; Carbon,2015,95,625; APPL. SURF. SCI.,2014,317,505; Carbon,2014, 80,565）等研究方向取得了一系列研究成果。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b06899

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