材料化学家利用体热来为智能服装提供动力

马萨诸塞大学阿默斯特分校的材料化学家Trisha Andrew说，许多可穿戴式生物传感器，数据传输器和用于个性化健康监测的类似技术进步现已“创造性地小型化”，但它们需要大量能源，而且电源可能庞大而且重。现在她和她的博士 学生Linden Allison报告说他们开发了一种可以收集体热的织物，为活动追踪器等小型可穿戴微电子提供动力。

Andrew和Allison 在早期的在线版“ 先进材料技术”中写道，从理论上讲，体热可以通过利用体温和环境较冷的空气之间的差异产生能量，这是一种“热电”效应。具有高导电性和低导热性的材料可以以这种方式将电荷从温暖区域移向冷却区域。

他们指出，一些研究表明，在8小时的工作日内可以从人体中获取少量的能量，但目前所需的特殊材料要么非常昂贵，要么有毒，要么效率低下。安德鲁说：“我们开发的是一种廉价蒸汽印刷生物相容，柔韧和轻质聚合物薄膜的方法，这种聚合物薄膜由日常丰富的材料制成，在棉织物上具有足够高的热电性能，可产生相当高的热电压，足以为小型电源供电设备。”

在这项工作中，研究人员利用羊毛和棉的自然低热传输特性，创造出能够在称为热电堆的电子设备上保持温度梯度的热电服装，即使在长时间连续的情况下也能将热量转化为电能。穿。Andrew指出，这是确保导电材料随时间变得电气，机械和热稳定的实际考虑因素。

“基本上，我们利用面料的基本绝缘性能来解决设备界长期存在的问题，”她和Allison总结道。“我们相信这项工作对设备工程师来说很有意义，他们寻求探索可穿戴电子设备的新能源以及对创造智能服装感兴趣的设计师。”

具体来说，他们通过将一种称为持久p-掺杂聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT-Cl)的导电聚合物气相印刷到一种紧密编织和一种中等编织形式的商业棉织物上来制造他们的全织物热电堆。 。然后，他们将这种热电堆集成到一个专门设计的可穿戴带中，当佩戴在手上时，该带可产生大于20毫伏的热电压。

研究人员通过在温水中摩擦或洗涤涂层织物来测试PEDOT-CI涂层的耐久性，并通过扫描电子显微镜评估性能，这表明涂层“在洗涤或磨损后没有破裂，分层或机械冲洗，确认气相印刷PEDOT-CI的机械坚固性。“

他们使用定制的探针测量涂层的表面电导率，发现松散的编织棉比较紧密的编织材料表现出更高的导电性。他们补充说，这两种面料的导电性“在摩擦和洗涤后基本保持不变”。

使用热成像仪，他们确定志愿者的手腕，手掌和上臂散发出最多的热量，因此安德鲁和艾莉森生产出可以在这些区域穿着的弹性针织热电织物带。他们指出，带的空气暴露的外侧与纱线厚度的体热隔离，而只有热电堆的未涂层侧接触皮肤，以减少对PEDOT-CI过敏反应的风险。

研究人员指出，汗水显着增加了弹性臂带的热电压输出，这并不奇怪，因为已知潮湿的棉花比干织物更好的热导体，他们观察到。他们能够通过在佩戴者的皮肤和带之间插入热反射塑料层来随意关闭热传递。

总体而言，他们说，“我们表明，与传统生产的设备相比，低温差条件下，反应性蒸汽涂层工艺可产生机械坚固的织物热电堆”，具有“特别高的热电功率因数”。“此外，我们描述了将热电堆自然地整合到服装中的最佳实践，这使得尽管连续磨损，仍能在热电堆上保持显着的温度梯度。”