電子器件的微型化和集成已經使可穿戴技術取得了重大進展，例如電子皮膚和基於紡織電子。特別是由功能性纖維和微電子系統集成的智能紡織品，由於其透氣性，親和性和不易察覺性而受到了更多的關注。紡織電子產品因為其穿戴舒適性和可編程性有望給給未來可穿戴應用帶來革命性變化。大量具有研究前景的熱電可穿戴設備已經被廣泛的應用於綠色能源回收，並且和無處不在的傳感器相連。但是，現有的商業TE材料價格昂貴，並且沉重易碎，一般也只能加工成塊狀材料，有限的加工尺寸和機械柔性的繁瑣p/n結組裝阻礙了TE紡織的實際應用。
新加坡國立大學Ghim Wei Ho課題組提出了一種膠體凝集擠出TE纖維的技術，該技術可以製備出機械堅固和柔韌的TE纖維，並且工藝簡單可控有工業可擴展性。利用親水膠體結構網絡及其流變特性的優勢，非均勻粒子在連續基體中的優越約束，產生了高度均勻，界面結合良好的交替p/n片段。這種連續排列的p/n型TE纖維極大的降低了紡織電子在集成方面的複雜性，也為多功能器件提供了可能，包括非平面上的能量採集，多像素的觸控面板用於書寫和通信。該研究以題為「Scalable thermoelectric fibers for multifunctional textile-electronics」的論文發表在最新一期《Nature Communications》上。
製備工藝和器件結構
Figure 1.膠態膠凝擠出工藝。
通過連續交替擠壓工藝製備了由單壁碳納米管(SWCNTs)和聚乙烯醇(PVA)水膠體組成的柔性TE纖維。(Figure 1.a,b)凝膠凝固後的流變性能表現出較高的G』 和G』』 ，增幅約為3個數量級。除了膠體的多種可調性之外，另一個顯著的優點就是溶劑的遷移受到PVA聚合物網絡的限制。交替擠壓的凝膠，可以保證p/n界面在沿軸向持續的壓應力和剪應力作用下也有清晰的界限。(Figure 1.c)
纖維的力學性能和TE性能
Figure 2.高強度、高柔韌性的可伸縮纖維
該工藝繞過了傳統有限規模p/n型TE纖維的艱苦合成和裝配，論證了米級連續TE纖維數位化製造的可行性。(Figure 2.a)該纖維具有優先的機械性能，不論摻或不摻PEI都能承受超過20MPa的高抗張強度。並且相鄰的p/n片段之間的結合也非常牢固，可以承受500g的重物。(Figure 2.b)在打成各種結的情況下，纖維也保持了令人滿意的電學魯棒性。調控PEI和SWCNT的比例可以決定片段多數載流子，從而輕易的形成P型或者N型的半導體。複合材料的電阻隨著PEI含量增加而增加，高的塞貝克係數有助於溫度梯度感應，選擇25%的配比平衡TE纖維的電壓和電流。TE纖維的電壓和電流都隨溫度差線性增加。(Figure 2.d,e)
TE紡織品的保形熱能收集
Figure 3. 柔性TE織物收集熱能
交替p/n型分段TE纖維可以編織成柔性織物，p/n單位電串聯，類似於商業TE發電機，已被證明是一種有效的設計。(Figure 3.a)使用相同的p/n單元確保連續的pn結在冷熱表面之間交替，同時使載流子在纖維上沿著相同的方向運動實現電壓/電流倍增。(Figure 3.b)對於單個p/n單元，電壓和電流都隨著襯底溫度從高於環境溫度的5℃到20℃的升高而單調增加。(Figure 3.c)與單根光纖相比，編織後的平面器件電壓放大了約33倍，而電流卻保持不變，顯示了倍增效果的同時還證明該工藝下的紡織品對於非平面的適應性。(Figure 3.d,e)
用於光，熱感應的TE紡織品
Figure 4用於觸控螢幕和通訊的TE紡織品
利用連續p/n單元的TE纖維的優異的機械性能，10根TE纖維很容易織成一塊十字繡。(Figure 4.a)當一個特定的節點接觸一個熱對象時，接觸點顯示的溫度比的相鄰節點高得多，在22°C的環境溫度下，研究了不同溫度接觸時的信號強度。電壓信號與物體溫度的對應且接近線性，為觸控定位奠定了基礎。(Figure 4.b,c)通過5×5像素的觸摸面板，進一步實現了手寫字母的輸入。(Figure 4.d,e)得益於碳材料優越的吸光能力，光照時纖維容易升溫。光熱效應將在光照區和非照射區之間產生溫度梯度，從而產生電信號。利用光熱傳感特性，在立方體的六個面上構建TE光纖，成功實現了光通信，準確感知入射光的方向。(Figure 4.f,g,h)
多任務機器人的模塊化TE紡織品
Figure 5. 機器人手臂穿著模塊化的TE服裝，完成多項任務。
機器人手臂分別由TE-fiber手套，腕帶和袖子呈現出熱/冷感知能力，光敏性和能量收集能力。這種適合人體熱量收集的紡織品還可以擴大規模，集成到其他可穿戴的自供電系統中，為電池充電或直接為電子設備供電。有了這樣一套TE紡織品，機器人就可以進行多任務處理，而不僅僅是感知和能量收集。
總結
作者開發了一種將SWCNT/PVA組成的TE纖維凝膠通過擠壓成型的技術，這些纖維由連續的p/n結均勻的組成。基於這種p/n型TE纖維，作者還製備了不同構型的紡織品，並實現了多功能集成，包括光和熱的感應以及能量的收集。通過給機械手臂穿戴不同功能的模塊化TE編織品，賦予了機械手臂環境感知和自供電的能力。這種製備方法也同樣適用於其他TE材料和聚合物，這為TE紡織品的製造提供了一個新的方向，也揭示了下一代高科技紡織電子的廣闊前景。
來源：高分子科學前沿
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