专栏名称: 高分子科技

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济大王鹏博士/河工大禹伟副教授、孟垂舟教授/北理工沈国震教授/山大李阳教授：人体热管理与健康监测多功能纳米纤维衣服

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2024-09-28 10:01

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近期，济大王鹏博士/河工大禹伟副教授、孟垂舟教授/北理工沈国震教授/山大李阳教授联合在InfoMat发表题目为“Multifunctional all-nanofiber cloth integrating personal health monitoring and thermal regulation capabilities”的研究工作。济南大学王鹏博士为论文第一作者，该纳米纤维基衣服不仅可以实现制冷/制热双重热管理，还可以实现人体温度、呼吸生理信号的监测。

越来越频繁的热浪和寒流对人类的生存构成严重威胁。在此，他们通过简单的静电纺丝和3D打印技术开发了一种具有生理信号监测和个人热管理功能的多功能纳米纤维基衣服。将具有高太阳反射率和中红外发射率的热塑性聚氨酯纳米纤维作为辐射制冷面，具有高太阳吸收率的碳纳米管修饰的纳米纤维作为辐射制热面。并且将应变传感器与温度传感器集成于纳米纤维上实现人体呼吸与体温监测。将制备的多功能纳米纤维制作成T恤使得穿着者的皮肤温度可以在炎热、寒冷环境中分别降低5.4℃或升高3.0℃。

图1A展示了用于智能动态体温调节的全纳米纤维的整体概念图，所有功能层都在同一个静电纺丝的TPU纳米纤维上制备，使衣服不仅具有柔性和可拉伸性，还具有透气性和防水，以实现舒适的皮肤附着佩戴。双模热管理的制热功能是通过在原始TPU纳米纤维上修饰CNT实现的，制冷是通过使用在大气窗口中具有高发射率TPU纳米纤维实现的。

图1用于健康监测和双模体温调节的多功能纳米纤维。（A）多功能全纳米纤维的配置和功能的示意图。（B）纳米纤维基应变传感器和热管理器件的制备过程的示意图。（C）（i）应变传感器、（ii）CNT修饰的TPU纳米纤维、（iii）TPU纳米纤维和（iv）纳米纤维基温度传感器的SEM图像。（D）照片显示了柔性全纳米纤维基T恤在制热或制冷模式下的实际穿着情况，以及应变和温度传感器的照片。

图2 全纳米纤维的透气性和疏水性。（A）全纳米纤维的透气性、透湿性和防汗性能示意图。（B）全纳米纤维传感器和其他典型柔性材料的透气性比较，以及（C）透气性与气压之间的关系。（D）在25℃和38℃下，全纳米纤维传感器和其他典型柔性材料的透湿性比较。（E）通过评估由不同薄膜密封的容器中的失水率和（F）相应的失水速率-时间曲线。（G）照片和（H）光学显微图像显示液滴（水、人造汗液）和纳米纤维垫（TPU、CNT/TPU）之间的接触角，以及（I）相应的接触角随时间的变化。（J）传感器的自清洁特性。

图3 纳米纤维基应变和温度传感器的机理、性能以及不同温度下人体呼吸的生理研究。（A）应变传感原理的示意图。（B）不同预拉伸下应变传感器的灵敏度曲线。（C）在5%应变下纳米纤维基应变传感器的响应和恢复时间。（D）相对电阻在25-100℃的范围内随温度的变化规律。（E）在25 ℃下，织物应变传感器在10 %和90 %RH湿度下的GF。（F）温度传感的原理。（G）不同的G含量下温度传感器灵敏度曲线。（H）温度传感器的响应速度曲线。（I）温度传感器抵抗弯曲的能力测试。（J）湿度对温度传感器性能的影响。（K）呼吸周期的示意图。（L）呼吸过程中获得的典型信号曲线。（M） 10名志愿者在不同温度下的呼吸频率测试。

图4 双功能热管理器件的功能示意图与性能测试。（A） TPU纳米纤维的辐射制冷性能测试与实验装置。（B）原始TPU纳米纤维的阳光反射率（黄色表示太阳辐照度光谱）和热发射率（蓝色表示大气窗口）。（C）不同样品在阳光直射下的温度比较（2023年7月20日，中国天津）。（D）CNT/TPU纳米纤维的辐射制热示意图。（E）不同碳纳米管量下CNT/TPU纳米纤维侧的红外图像和（F）其相应的太阳吸收光谱。（G）不同样品在阳光直射4.5小时的温度比较。

图5 通过穿着多功能全纳米纤维T恤，在不同的室外环境中根据呼吸状态进行动态个人热管理。（A）双功能热管理纳米纤维工作示意图。（B）在阳光直射室外温度较高时，制冷模式下的呼吸监测示意图，以及连续20分钟的相应温度和呼吸曲线。（C）在阳光直射室外温度较低时，制热模式下的人体呼吸监测示意图，以及连续20分钟的温度和呼吸曲线。

该工作开发了一种新型的多功能纳米纤维衣服，用于生理信号监测和个人热管理。该衣服的应变传感灵敏度为368.58，温度传感灵敏度为-0.013℃^-1。通过穿着该多功能纳米纤维T恤可以实现降温5.4 ℃和升温3.0℃的热管理效果。本研究为可穿戴多功能可透气电子产品的开发提供了一种有前景的策略，具有很好的实用性。

作者介绍

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王鹏：济南大学机械工程学院教师，校聘青年英才岗，研究方向为柔性传感器，重点突破柔性传感在实用化过程中遇到的传感材质柔弹性差、传感器件灵敏度低和可穿戴性差等瓶颈问题。以第一作者/通讯作者在本领域国内外重要期刊InfoMat、Nano Energy、Advanced Fiber Materials、Chemical Engineering Journal、Advanced Electronic Materials等发表论文26篇，其中影响因子大于10的中科院一区Top论文13篇，ESI前1%高被引文章2篇；申请发明专利12项，授权4项；获得天津市创新奖学金1次（2022年），天津市王克昌文化科技奖学金1次，博士研究生国家奖学金2次（2021年与2022年）、河北省优秀研究生毕业生1次（2023年），河北工业大学学术之星1次（2022年）；多次参加学术会议并做分会场报告。个人主页：https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.

禹伟，河北工业大学机械工程学院副教授，于2021年清华大学博士毕业后以 “元光学者”人才计划加入河北工业大学。依托智能康复装置与检测技术教育部工程研究中心和河北省机器人感知与人机融合重点实验室，主要从事功能纳米材料改性及其在柔性驱动与传感方面的研究。主持国家自然科学基金青年项目、京津冀基础研究合作项目、教育部“春晖计划”合作项目等多项国家及省部级项目；以第一作者/通讯作者在Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Energy等高水平期刊发表学术论文十余篇，以第一发明人身份授权发明专利4项。

孟垂舟：河北工业大学机械工程学院特聘教授，博士生导师。国家海外高层次人才引进计划青年特聘专家、河北省海外高层次青年人才、河北省侨联侨界专家委员会委员。清华大学物理学学士、博士学位，曾任职美国普渡大学生物医学工程系博士后研究员、美国IBM半导体研发中心高级工程师、新奥集团能源研究院石墨烯/储能/能源新材料等技术中心主任。长期从事新型纳米材料和高分子弹性体的制备研究，以及其在能源转换与存储、生物医学传感、柔性电子皮肤、可穿戴健康设备、和健康护理装备上的应用开发。

沈国震：北京理工大学集成电路与电子学院特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者。长期从事低维半导体材料及相关柔性电子器件的研究。以第一完成人身份获北京市科学技术二等奖、中国材料研究学会科学技术一等奖等。现任英国皇家化学会会士、中国材料研究学会理事。发表SCI收录论文300余篇，获引用超过3万，H-index为94。

李阳：山东大学集成电路学院教授，博士生导师，IEEE高级会员，科技部中韩青年科学家、山东省泰山学者青年专家、山东省高校集成电路创新团队带头人、山东省优青、山东省青年科技人才托举工程入选者、齐鲁青年学者，主持国家自然科学基金项目、科技部项目、山东省优秀青年基金项目、山东省重点研发计划项目等省部级以上项目10余项。主要研究领域：新一代半导体材料与器件；“传感存算一体化”芯片系统。已累计发表SCI检索论文100余篇，其中以第一作者/通讯作者在Chem. Soc. Rev.、Matter、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、IEEE Trans. Electron, Dev. 等领域内顶尖期刊上发表中科院一区文章45篇，包含封面文章10篇，授权国家发明专利15项，韩国发明专利11项。

原文信息

Peng Wang, Guifen Sun, Shuaichuang Hua, Wei Yu, Chuizhou Meng, Qing Han, | Jeonghyun Kim, Shijie Guo, Guozhen Shen, Yang Li. Multifunctional all-nanofiber cloth integrating personal health monitoring and thermal regulation capabilities. InfoMat, 2024.

https://doi.org/10.1002/inf2.12629.

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