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北京服装学院吴晶:用于个人湿热管理的MXene多层纳米薄片修饰疏水/亲水Janus膜的构建及性能评估

 
发布日期:2022-06-13     来源:永康乐业
 

DOI: 10.1021/acsanm.2c01282

 

个人湿热管理侧重于调节“人体皮肤-可穿戴织物-外部环境”小气候系统中的湿度和温度,确保人类舒适度的基础,由于其不仅在改善健康状况方面,而且在用于个人防护的智能纺织品、电子可穿戴设备、健康监测等方面的重要作用而备受关注。然而,注重个人舒适度的可穿戴面料,尤其是湿热双模管理,即包括为户外运动或寒冷环境工作提供保护高效排汗和保温性能,在其设计、制造和实际应用中仍然面临着巨大挑战。沿厚度方向具有不对称润湿性(超疏水/疏水-超亲水/亲水)的Janus膜显示出独特的定向水传输能力,起到“水传输二极管”的作用有助于将汗液/水分人体排出至环境在此,研究者通过简单的静电纺丝结合原位聚合制备了一种由MXeneTi3C2Tx多层纳米薄片修饰的疏水/亲水Janus膜,具有出色的光热转换能力。凭借不对称润湿性和定向芯吸,可以将水和湿气从疏水层输送到亲水层,从而为Janus膜提供出色的定向水和湿气传输能力。此外,MXene多层纳米薄片的成功修饰赋予了Janus膜与电力无关的保温能力,这得益于MXene出色的光热转换能力。这项工作深入了解了用于湿热管理的Janus膜的简便设计,并确立了一个有希望的策略,不仅可以保持个人舒适度,改善健康状况,提高寒冷环境中户外工人的工作效率,而且可以保证智能可穿戴多功能织物的特殊功能。

 

 

1.疏水/亲水PU-E/MXene@PDA-PU Janus纤维膜的详细制造过程示意图。


 

2.(a)PU-E电纺的SEM图像,PU溶液质量浓度分别为7.5、10、12.5和15wt%(混合溶剂DMF/THF=9:1,质量比)。(b)所制备的PU-E、PDA-PU和MXene@PDA-PU膜的水接触角。所有电纺PU-E膜都是疏水的。随着PU溶液质量浓度的增加,WCA略有下降。然而,PDA-PU表现出亲水性。当MXene锚定在PDA-PU上时,MXene@PDA-PU显示出更高的亲水性。(c)PDA-PU(左)和MXene@PDA-PU(中)的SEM图像及其部分放大图(右和蓝色虚线框)。(d,e)Janus膜的PU-E层和MXene@PDA-PU层的EDS元素分布图。


 

3.(a)MXene、DOPA、PU-E、PDA-PU和MXene@PDA-PU的FTIR光谱。(b)PU-E、DOPA、PDA-PU和MXene@PDA-PU的完整XPS全扫描光谱。(c)MXene@PDA-PU纤维膜的放大XPS全扫描光谱,表明存在Ti2p。(d)PU-E、PDA-PU和MXene@PDA-PU纤维膜在MXene修饰过程中的分子组成示意图。(e)PU-E、DOPA和PDA-PU膜中C1s的高分辨率 XPS光谱。(f)MXene@PDA-PU纤维膜中C1s、Ti2p和N1s峰的高分辨率XPS光谱。


 

4.(a)采用不同静电纺丝喷嘴制备的一系列Janus膜的水传输性能与通过静电纺丝时间调整的疏水PU-E层厚度之间的关系。(b)水滴滴在PU-E/MXene@PDA-PU Janus膜上时的三种状态示意图。(c)当水滴滴在其疏水层(I)和相反方向(II)时,Janus膜的实时定向水传输现象。(d)静水压力测量实验装置。(e)HP与Janus膜疏水PU-E层静电纺丝时间之间的关系。(f)疏水性PU-E静电纺丝时间与Janus膜厚度之间的关系。(g)湿气透过率测量示意图。(h)疏水性PU-E、亲水性MXene@PDA-PU和Janus膜在不同温度下的湿气透过率。(i)疏水性PU-E、亲水性MXene@PDA-PU和Janus膜(与皮肤接触的疏水层)覆盖在湿润的皮肤表面上然后掀开的照片。(j)疏水性PU-E、亲水性MXene@PDA-PU和Janus膜的MMT图像。


 

5.光热转换性能表征。(a)光热转换测量实验装置图。(b)记录MXene@PDA-PU Janus膜在光照10分钟然后切断时的温度演化曲线。光源与膜之间的距离分别调整为20和35cm,与峰值温度有关。(c)不同纤维膜在光源照射下的温度变化和循环性能研究(室内)。(d)不同纤维膜在晴天和阴天室外的温度变化。(e)PU-E(I)和PU-E/MXene@PDA-PU Janus纤维膜(II)在高低温水蒸气条件下和(f)在潮湿人体皮肤表面经光源照射的红外热图像。


 

6.(a)(i)疏水性PU-E、(ii)亲水性MXene@PDA-PU和(iii)PU-E/MXene@PDA-PU Janus纤维膜定向水传输和(b)热传导的机理说明。


 

7.(a)PU-E/MXene@PDA-PU Janus纤维膜的柔性显示。(b)显示负载不同重量的PU-E/MXene@PDA-PU纤维膜。(c)PU-E纤维膜的拉伸现象。(d)机械测量示意图。(e)不同静电纺丝时间制备的PU-E的力学性能。(f)所有制备的膜的力学性能。(g)PU-E、PDA-PU和PU-E/MXene@PDA-PU纤维膜的燃烧实验。

 
 
 

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