透气、柔软、可拉伸电致发热织物的规模化制备

英文原题：Large-Scale Preparation of Micro−Nanofibrous and Fluffy Propylene-Based Elastomer/Polyurethane@Graphene Nanoplatelet Membranes with Breathable and Flexible Characteristics for Wearable Stretchy Heaters

通讯作者：张恒，中原工学院 纺织学院

作者：Heng Zhang (张恒), Yang Cao (曹阳), Qi Zhen (甄琪), Qiu-Ge Xu (许秋歌), Wei-Min Song (宋卫民), Xiao-Ming Qian (钱晓明)

背景介绍

高海拔和高纬度地区的寒冷天气和低温环境等会对人体健康产生有害影响，因此，有效的个人热管理对保护人体健康至关重要。电致发热织物作为一道人体的防护屏障，具有柔软、质轻和薄的特性，可以有效地将电能转换为热量，有助于个人的热管理。因此，基于电加热的可穿戴加热织物是最有前景的设备之一，将成为我们日常生活中必不可少的用具。然而，传统电致发热膜的透气性差和柔韧性不足的问题限制了其进一步应用。基于石墨烯等碳基纳米材料电致发热织物的制备被认为是目前能够实现冷隔绝的有效手段，但其制备方法仍然大多局限于实验室使用。因此，规模化制备出透气、柔性、可拉伸的电致发热织物对于保障寒冷环境下的人体健康具有重要意义。

图1. 熔喷PBE及PBE-PU@GNP微纳米纤维膜的制备过程

文章亮点

近日，中原工学院张恒教授和天津工业大学钱晓明教授研发团队在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了一种蓬松、柔软和透气丙烯基弹性体-聚氨酯/石墨烯微纳米电致发热膜的规模化制备研究。该研究通过一种简单、廉价和规模化的方法（即涂层-压轧循环工艺)，将聚氨酯/石墨烯纳米颗粒(PU@GNP)涂覆在熔喷丙烯基弹性体(PBE)微纳米纤维膜上，制备了PBE-PU@GNP微纳米纤维膜。

通过对熔喷接收距离（DCD）的调控，以制备的PBE微纳米纤维为弹性骨架，将PU@GNP均匀沉积在PBE微纳米纤维表面，形成了高效、蓬松互连的导电网络。得益于熔喷PBE材料的弹性和蓬松互连的导电通道，所制备的PBE/PU@GNP微纳米纤维膜透气性可在60.2~212mm/s范围内有效调节，纤维膜的弹性回复率可达85.5%。

图2. PBE−PU@GNP微纳米纤维膜的透气性能和柔软性能测试

通过对制备的PBE/PU@GNP微纳米纤维膜施加36V的电压，温度最高可上升至69.7℃；此外，随着涂层-压轧循环次数增加到5次，PBE−PU@GNP微纳米纤维膜的电阻从2569.5Ω/5cm显著降低到278.9Ω/5cm，证实了其良好的电加热特性。

图3. PBE−PU@GNP微纳米纤维膜的电加热性能测试

图4. PBE−PU@GNP微纳米纤维膜的导电性能测试

由于具有优异的透气性、柔软性、弹性和电加热性能，以及简单便捷的制备工艺，PBE-PU@GNP微纳米纤维膜可应用于摩托车骑行服、防寒服和医疗保健服等电加热服装，对调控人体与环境之间的热传递和保障人体健康具有重大意义。

总结/展望

研究团队将聚氨酯/石墨烯纳米颗粒涂覆沉积在熔喷丙烯基弹性体微纳米纤维膜上，制备了一种弹性高、透气性好、柔软性佳和电加热性能优异的电致发热织物，该方法为电致加热织物的规模化制备提供了一个全新方向。论文以“Large-Scale Preparation of Micro−Nanofibrous and Fluffy Propylene-Based Elastomer/Polyurethane@Graphene Nanoplatelet Membranes with Breathable and Flexible Characteristics for Wearable Stretchy Heaters”为题于2022年10月11日发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，中原工学院的张恒教授为第一作者兼通讯作者，合作单位还包括天津工业大学和苏州多瑈新材料科技有限公司。该工作得到了国家自然科学基金项目（52003306）；国家生物医用材料生产应用示范平台项目（TC190H3ZV/1）;河南省重大科技专项(221100310500)和中原工学院自主创新应用研究项目（K2020YY002）的资助。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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