热电可穿戴设备的新材料：聚苯并二呋喃二酮涂层丝线

来自 实验室仪器网

最近的一项研究中，研究人员探索了n型聚合物聚苯并二呋喃二酮(PBFDO)的热机械性能，并评估了其作为纱线涂层材料的适用性。PBFDO和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）涂层丝纱被用于制造两种平面外热电纺织装置——热电按钮和热电堆——以供比较分析。

电子纺织品(e-textiles)是一种多功能材料，可为织物带来额外功能，包括健康监测、诊断、通信、显示、运动感应和热调节。配备能量收集装置的电子纺织品具有将本地能源（例如体热）转化为电能为集成电子设备供电的优势。

热电设备通过塞贝克效应将体热（皮肤与周围环境之间的温差）直接转化为电能，具有收集能量的潜力。目前有多种集成方法，包括将热电发电机涂覆或印刷到现有织物上、缝合或刺绣导电纤维以及用导电纱线编织或编织。

用于纺织品的热电材料应舒适、安全且无毒。因此，开发真正实用的聚合物基热电纺织设备需要空气稳定性、机械强度和可加工性大大提高的n型纱线。

使用二甲基亚砜(DMSO)溶剂制备PBFDO墨水。将薄膜旋涂（1500rpm120秒和3000rpm10秒）到干净的玻璃载玻片上，并在50°C的加热板上退火一小时。此外，还制备了PBFDO的独立薄膜（厚度为7-18µm）。

PBFDO涂层丝纱的制作方法是将纱线浸入PBFDO墨水中10-20分钟，然后在40°C的温度下烘干。对于用于特性分析和热电堆缝纫的纱线，PBFDO墨水浸涂重复两次，对于原型纱线，浸涂重复三次，最后在40°C的温度下烘干。

使用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)和广角X射线散射(WAXS)对样品进行表征。使用四点探针法在80至400K的温度范围内在真空中测量电阻。在不同温度下对独立薄膜和纱线部分进行拉伸变形测试，并使用3升水对纱线样品进行1至7次（每次15分钟，温度为20°C）。

通过使用缝纫针手工缝合导电纱线，组装出一个具有一个n型和一个p型支脚的热电堆装置。此外，PBFDO和PEDOT纱线被缝在六层毡羊毛织物上，形成一个具有八个n型和八个p型支脚的非平面热电发电机。

为了进行验证，在COMSOLMultiphysics中对纺织热电堆进行了建模，并进行了实验表征。

制备的独立PBFDO薄膜表现出很强的机械强度，在室温以下处理时以及在液氮中弯曲几分钟时仍能保持完整性。然而，在200°C下热退火5分钟会导致脆性，在弯曲过程中造成断裂，这表明过度热退火会降低PBFDO的机械强度。

在室温下的拉伸变形测试中，PBFDO表现出刚度和一定程度的延展性。冷却至-10°C会增加刚度，但会使聚合物更脆。纱线表面和冷冻断裂横截面的SEM图像没有显示明显的外壳层，这表明PBFDO粘附在单个纱线长丝上，部分进入每根纱线。

应力-应变曲线表明，浸泡在PBFDO墨水中会降低丝线的杨氏模量，同时增加断裂应变。这使得涂有PBFDO的纱线能够承受高达5%应变的循环拉伸30次而不断裂，表明该纱线非常适合纺织应用。

在环境条件下，PBFDO涂层纱线的电导率在14个月内保持稳定，凸显了其卓越的耐用性。此外，热电按钮和发电机分别在储存41周和10天后保持稳定的性能，尽管发电机的效率在90天后下降了30%。

结论：

研究人员有效地证明了n型PBFDO可加工成在室温下具有高刚度和延展性的独立薄膜。涂有这种耐用聚合物的多丝纱线具有稳定的电导率，在环境条件下14个月内几乎保持不变。即使经过七次洗涤循环，电导率也只增加了三倍，凸显了纱线卓越的长期稳定性和耐洗性。

通过两种平面外热电纺织设备验证了n型纱线的坚固性和功能性：热电按钮和纺织热电堆。热电堆的输出功率足以支持基于有机电化学晶体管的传感器监测电生理信号。因此，PBFDO涂层复丝纱线在开发可靠的热电纺织品方面具有巨大潜力。

» 仪器设备 购买 咨询