CN115074862A - 一种核壳结构的柔性相变储能传感材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种核壳结构的柔性相变储能传感材料及其制备方法与应用，属于电子材料技术领域。本发明提供一种核壳结构的柔性相变储能传感材料，所述材料包括相变核层、聚合物壳层和导电层；所述相变核层为热塑性聚氨酯与聚乙二醇的混合纤维，所述壳层为热塑性聚氨酯纤维，所述导电层为二维MXene材料。本发明传感材料通过同轴纺丝技术和喷涂技术制备，制备方法工艺简单、成本低，具有优异的保温效果和超高灵敏度的应变传感性能，适用于温度防护及生理监测，可应用于智能枕头与智能床垫。
Description
技术领域
本发明属于电子材料技术领域，具体涉及一种核壳结构的柔性相变储能传感材料及其制备方法与应用。
背景技术
近年来，柔性力学传感器因其可以舒适地贴合到人体皮肤表面或与纺织品集成，能精确和实时地检测人体体温、血压、心率、呼吸率等生理数据以及持续追踪日常活动，为用户的健康状况提供长期的指导和反馈，在疾病诊断和健康监测领域显示了巨大的应用潜力。
相变材料可以在相变过程中以潜热的形式吸收和释放热能，将其应用到织物中可使皮肤保持在人体体温附近，维持较舒适的状态。然而，相变材料和纤维织物的直接结合面临着混合纤维中的相变材料容易通过洗涤、擦拭或磨损等方式而导致泄漏问题。因此，开发一种稳定的相变材料极其重要。
专利CN109468122B公开了一种“核-壳”型介孔二氧化硅/有机相变材料复合纳米胶囊及其制备方法，该技术是以乳液模板自组装法和乳液模板界面缩聚法制备了以致密二氧化硅为壳、介孔二氧化硅/有机相变材料复合物为芯的纳米胶囊，该技术以无机物为壳层，所涉及的制备过程较为繁琐。专利CN109082266B公开了一种高导热和高蓄热系数的泡沫炭基相变储能传感材料，该材料由薄壁泡沫炭材料，覆盖在薄壁泡沫炭材料表面的导电高分子化合物层，覆盖在导电高分子化合物层表面的无机-有机复合相变材料层或镶嵌在导电高分子化合物层表面的导电高分子化合物/无机-有机复合相变材料核壳胶囊组成，该材料不具备柔性和应变传感功能。
因此，开发一种制备方法简单同时具有相变功能的柔性传感材料对于医疗监测、健康防护领域具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的问题，提供一种核壳结构的柔性相变储能传感材料及其制备方法与应用。
本发明是通过下述技术方案进行实现的：
本发明提供一种核壳结构的柔性相变储能传感材料，所述材料包括相变核层、聚合物壳层和导电层；所述相变核层为热塑性聚氨酯与聚乙二醇的混合纤维，所述壳层为热塑性聚氨酯纤维，所述导电层为二维MXene材料。
本发明的柔性相变储能传感材料，采用高弹性的热塑性聚氨酯(TPU)为聚合物壳层，TPU和相变材料聚乙二醇(PEG)为相变核层，二维MXene为导电层，MXene材料通过非共价键结合在聚合物壳层表面；使得本发明传感器具有优异的柔性和保温效果，同时具有超高灵敏度的应变传感性能，在温度防护及生理监测的智能枕头与智能床垫等智能可穿戴装备具有极大的应用前景。
优选地，本发明的柔性相变储能传感材料采用同轴静电纺丝技术和喷涂技术制得。
作为本发明所述核壳结构的柔性相变储能传感材料的优选实施方式，所述混合纤维的直径为50nm～400nm；所述热塑性聚氨酯纤维的直径为100nm～500nm。
作为本发明所述核壳结构的柔性相变储能传感材料的优选实施方式，所述相变核层中，所述热塑性聚氨酯与聚乙二醇的质量比为10:(1～6)；所述聚乙二醇的平均分子量为1000～2000。优选地，所述聚乙二醇的平均分子量为1000和/或2000。
本发明的另一目的在于提供上述核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将所述热塑性聚氨酯溶于有机溶剂，得壳层纺丝液；将所述热塑性聚氨酯和聚乙二醇溶于有机溶剂，得相变核层纺丝液；将LiF分散在HCl溶液中，加入Ti3AlC2进行反应，得悬浮液，将所述悬浮液离心、洗涤至上清液的pH值大于5，得沉淀，将所得沉淀超声分散，再次离心取上清液，得MXene分散液；
(2)取步骤(1)所得壳层纺丝液和相变核层纺丝液，同轴静电纺丝，得相变核层和聚合物壳层；
(3)采用喷涂法将步骤(1)所得MXene分散液涂覆在步骤(2)所得聚合物壳层上，得导电层，真空干燥，即成。
优选地，所述步骤(1)中，所述反应的时间为20h～30h，所述离心的速率为3000rpm～6000rpm，时间为0.5h～2h；所述洗涤的溶剂为水；所述超声分散的时间为2h～4h，溶剂为水。进一步地，所述反应的时间为24h，所述离心的速率为4000rpm，时间为1h；所述洗涤的溶剂为去离子水；所述超声分散的时间为3h，溶剂为去离子水。
作为本发明所述核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，所述有机溶剂为丙酮和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶液，所述丙酮和DMF的质量比为1：(1～3)。
作为本发明所述核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，所述壳层纺丝液和所述相变核层纺丝液中，所述弹性体的质量分数为15％～25％；所述MXene分散液中，所述MXene的质量浓度为0.5wt％～2.5wt％。
作为本发明所述核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，所述相变核层和聚合物壳层的总厚度为10μm～80μm。
作为本发明所述核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，所述静电纺丝的电压为12KV～16KV，纺丝距离为10cm～15cm，注液速度为0.8mL/h～1.2mL/h，纺丝时间为2h～6h。
作为本发明所述核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法的优选实施方式，所述步骤(3)中，所述MXene在导电层中的密度为0.5mg/cm2～2.5mg/cm2；所述真空干燥的温度为50℃～70℃，时间为10h～15h。优选地，所述真空干燥的温度为50℃，时间为12h。
本发明的又一目的在于，提供上述核壳结构的柔性相变储能传感材料及其制备方法在智能枕头和智能床垫中的应用。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的核壳结构的柔性相变储能传感材料具有优异的柔韧性、超高的灵敏度和应变传感性能，同时兼具良好的保温效果，在温度防护及生理监测的智能枕头与智能床垫等智能可穿戴装备具有极大的应用前景。
(2)本发明的核壳结构的柔性相变储能传感材料能很好地防止相变材料的泄露，同时传感材料中的导电材料是以非共价键的形式结合在柔性核壳层上，即能确保材料在使用时的稳定性，又能实现导电材料的可循环利用，节约成本。
(3)本发明的制备方法采用同轴静电纺丝和喷涂技术，制备工艺简单，同时原料来源广泛、成本低，为传感器的多功能化、强化其实用性和拓展其应用领域提供了一种新的思路。
附图说明
图1为实施例1的核壳结构的柔性相变储能传感材料的结构示意图，其中1为相变核层，2为聚合物壳层，3为导电层；
图2为实施例2的核壳结构的柔性相变储能传感材料在40％应变下电阻变化率；
图3为实施例1的核壳结构的柔性相变储能传感材料的伸长量与力的关系图。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。本领域技术人员应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例中所用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
一种核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将TPU溶于质量比为1：1的丙酮与DMF的混合溶剂中，得壳层纺丝液，其中，TPU的质量分数为15％；将质量比为10:1的TPU与PEG(PEG-1000)溶于质量比为1:1的丙酮与DMF的混合溶剂中，得相变核层纺丝液，其中，TPU的质量分数为15％；将LiF分散在HCl溶液中，加入Ti3AlC2(400目)粉末进行反应24h，得悬浮液，将所述悬浮液在4000rpm的速率下、以去离子水为溶剂离心洗涤至上清液的pH值大于5，得沉淀，将所得沉淀在100mL去离子水中超声分散3h，再次在4000rpm的速率下离心1h取上清液，得MXene分散液；通过孔径为1.2μm的纤维素膜过滤上清液，从干燥的滤膜上剥离MXene，得到所述MXene分散液中，所述MXene的质量浓度为0.5wt％；
(2)取步骤(1)所得壳层纺丝液和相变核层纺丝液注入同轴针头，同轴静电纺丝，得相变核层和聚合物壳层；所述相变核层和聚合物壳层中纤维的直径为100nm，总厚度为20μm；所述静电纺丝的电压为12KV，纺丝距离为10cm，注液速度为0.8mL/h，纺丝时间为2h；
(3)采用喷涂法将步骤(1)所得MXene分散液涂覆在步骤(2)所得聚合物壳层上，得导电层，所述MXene在导电层中的密度为0.5mg/cm2；50℃下真空干燥12h，即成。
图1为本实例的核壳结构的柔性相变储能传感材料的结构示意图，包括相变核层1、聚合物壳层2和导电层3。
将本实施例一种核壳结构的柔性相变储能传感材料应用于手腕、喉咙、颈部等皮肤上，进行性能测试，具体步骤如下：将所制备的传感材料裁剪成1*1cm2大小，然后将其制作在4*4的集成电路上，集成衬底为聚酰亚胺(PI)膜上；将其贴在手腕、喉咙、颈部等皮肤上，并用信号收集器采集人体心跳、说话等发生的电信号变化。同时采用红外热成像仪监测传感器在外界温度变化下，其温度变化范围。测试发现，在外界温度20℃～60℃变化时，传感器稳定时温度为37.2℃，且放置一个月后测试，传感器下的皮肤温度稳定在37.2℃。
实施例2
一种核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将TPU溶于质量比为1：1的丙酮与DMF的混合溶剂中，得壳层纺丝液，其中，TPU的质量分数为20％；将质量比为10:4的TPU与PEG(PEG-2000)溶于质量比为1:1的丙酮与DMF的混合溶剂中，得相变核层纺丝液，其中，TPU的质量分数为20％；MXene分散液的制备方法及质量浓度同实施例1；
(2)取步骤(1)所得壳层纺丝液和相变核层纺丝液注入同轴针头，同轴静电纺丝，得相变核层和聚合物壳层；所述相变核层和聚合物壳层中纤维的直径为300nm，总厚度为30μm；所述静电纺丝的电压为14KV，纺丝距离为12cm，注液速度为1mL/h，纺丝时间为4h；
(3)采用喷涂法将步骤(1)所得MXene分散液涂覆在步骤(2)所得聚合物壳层上，得导电层，所述MXene在导电层中的密度为1.5mg/cm2；50℃下真空干燥12h，即成。
将本实施例的核壳结构的柔性相变储能传感材料裁剪成长为3cm、宽0.5cm的长方形样条，图2为其在40％应变下电阻变化率，图2显示，其在40％应变下电阻变化率400％，表明该传感材料具有超高的灵敏性和应变传感功能。另外，将所得的传感材料裁剪成1*1cm2大小，然后将其制作在4*4的集成电路上，集成衬底为PI膜上；将其贴在手腕、喉咙、颈部等皮肤上，并用信号收集器采集人体心跳、说话等发生的电信号变化。同时采用红外热成像仪监测传感器在外界温度变化下，其温度变化范围。测试发现，在外界温度20℃～60℃变化时，传感器稳定时温度为35.8℃，且放置一个月后测试，传感器下的皮肤温度稳定在35.8℃。
实施例3
一种核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将TPU溶于质量比为1：1的丙酮与DMF的混合溶剂中，得壳层纺丝液，其中，TPU的质量分数为25％；将质量比为10:6的TPU与PEG(PEG-1000与PEG-2000的质量比为1:1)溶于质量比为1:1的丙酮与DMF的混合溶剂中，得相变核层纺丝液，其中，TPU的质量分数为25％；MXene分散液的制备方法及质量浓度同实施例1；
(2)取步骤(1)所得壳层纺丝液和相变核层纺丝液注入同轴针头，同轴静电纺丝，得相变核层和聚合物壳层；所述相变核层和聚合物壳层中纤维的直径为500nm，总厚度为80μm；所述静电纺丝的电压为16KV，纺丝距离为15cm，注液速度为1.2mL/h，纺丝时间为6h；
(3)采用喷涂法将步骤(1)所得MXene分散液涂覆在步骤(2)所得聚合物壳层上，得导电层，所述MXene在导电层中的密度为2.5mg/cm2；50℃下真空干燥12h，即成。
将本实施例的核壳结构的柔性相变储能传感材料裁剪成长为3cm、宽0.5cm的长方形样条，测试其弹性，图3为其伸长量与力的关系图，从图3可以看出，该材料具有较好的弹性，且其在50％应变下电阻变化率480％，表明该传感材料具有超高的灵敏性和应变传感功能。另外，将所得的传感材料裁剪成1*1cm2大小，然后将其制作在4*4的集成电路上，集成衬底为PI膜上；将其贴在手腕、喉咙、颈部等皮肤上，并用信号收集器采集人体心跳、说话等发生的电信号变化。同时采用红外热成像仪监测传感器在外界温度变化下，其温度变化范围。测试发现，在外界温度20℃～60℃变化时，传感器稳定时温度为36.1℃，且放置一个月后测试，传感器下的皮肤温度稳定在36.1℃。
对比例1
一种核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将TPU溶于质量比为1：1的丙酮与DMF的混合溶剂中，得壳层纺丝液，其中，TPU的质量分数为10％；将质量比为10:6的TPU与PEG(PEG-1000与PEG-2000的质量比为1:1)溶于质量比为1:1的丙酮与DMF的混合溶剂中，得相变核层纺丝液，其中，TPU的质量分数为10％；MXene分散液的制备方法及质量浓度同实施例1；
(2)取步骤(1)所得壳层纺丝液和相变核层纺丝液注入同轴针头，同轴静电纺丝，得相变核层和聚合物壳层；所述相变核层和聚合物壳层中纤维的直径为35nm，总厚度为8μm；所述静电纺丝的电压为16KV，纺丝距离为15cm，注液速度为1.2mL/h，纺丝时间为6h；
(3)采用喷涂法将步骤(1)所得MXene分散液涂覆在步骤(2)所得聚合物壳层上，得导电层，所述MXene在导电层中的密度为2.5mg/cm2；50℃下真空干燥12h，即成。
将本实施例的核壳结构的柔性相变储能传感材料裁剪成长为3cm、宽0.5cm的长方形样条，其在50％应变下电阻变化率120％。另外，将所得的传感材料裁剪成1*1cm2大小，然后将其制作在4*4的集成电路上，集成衬底为PI膜上；将其贴在手腕、喉咙、颈部等皮肤上，并用信号收集器采集人体心跳、说话等发生的电信号变化。同时采用红外热成像仪监测传感器在外界温度变化下，其温度变化范围。测试发现，在外界温度20℃～60℃变化时，传感器的温度随着外界环境迅速变化。
对比例2
一种核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将TPU溶于质量比为1：1的丙酮与DMF的混合溶剂中，得壳层纺丝液，其中，TPU的质量分数为30％；将质量比为10:6的TPU与PEG(PEG-1000与PEG-2000的质量比为1:1)溶于质量比为1:1的丙酮与DMF的混合溶剂中，得相变核层纺丝液，其中，TPU的质量分数为30％；MXene分散液的制备方法及质量浓度同实施例1；
(2)取步骤(1)所得壳层纺丝液和相变核层纺丝液注入同轴针头，同轴静电纺丝，得相变核层和聚合物壳层；所述相变核层和聚合物壳层中纤维的直径为550nm，总厚度为90μm；所述静电纺丝的电压为16KV，纺丝距离为15cm，注液速度为1.2mL/h，纺丝时间为6h；
(3)采用喷涂法将步骤(1)所得MXene分散液涂覆在步骤(2)所得聚合物壳层上，得导电层，所述MXene在导电层中的密度为2.5mg/cm2；50℃下真空干燥12h，即成。
将本实施例的核壳结构的柔性相变储能传感材料裁剪成长为3cm、宽0.5cm的长方形样条，其在50％应变下电阻变化率80％，表明该传感材料具有超高的灵敏性和应变传感功能。另外，将所得的传感材料裁剪成1*1cm2大小，然后将其制作在4*4的集成电路上，集成衬底为PI膜上；将其贴在手腕、喉咙、颈部等皮肤上，并用信号收集器采集人体心跳、说话等发生的电信号变化。同时采用红外热成像仪监测传感器在外界温度变化下，其温度变化范围。测试发现，在外界温度20℃～60℃变化时，传感器的温度随着外界环境迅速变化。
对比例3
一种核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将TPU溶于质量比为1：1的丙酮与DMF的混合溶剂中，得壳层纺丝液，其中，TPU的质量分数为25％；将质量比为10:8的TPU与PEG(PEG-1000与PEG-2000的质量比为1:1)溶于质量比为1:1的丙酮与DMF的混合溶剂中，得相变核层纺丝液，其中，TPU的质量分数为25％；MXene分散液的制备方法及质量浓度同实施例1；
(2)取步骤(1)所得壳层纺丝液和相变核层纺丝液注入同轴针头，同轴静电纺丝，得相变核层和聚合物壳层；所述相变核层和聚合物壳层中纤维的直径为520nm，总厚度为100μm；所述静电纺丝的电压为16KV，纺丝距离为15cm，注液速度为1.2mL/h，纺丝时间为6h；
(3)采用喷涂法将步骤(1)所得MXene分散液涂覆在步骤(2)所得聚合物壳层上，得导电层，所述MXene在导电层中的密度为2.5mg/cm2；50℃下真空干燥12h，即成。
将本实施例的核壳结构的柔性相变储能传感材料裁剪成长为3cm、宽0.5cm的长方形样条，其在50％应变下电阻变化率50％，表明该传感材料具有超高的灵敏性和应变传感功能。另外，将所得的传感材料裁剪成1*1cm2大小，然后将其制作在4*4的集成电路上，集成衬底为PI膜上；将其贴在手腕、喉咙、颈部等皮肤上，并用信号收集器采集人体心跳、说话等发生的电信号变化。同时采用红外热成像仪监测传感器在外界温度变化下，其温度变化范围。测试发现，在外界温度20℃～60℃变化时，传感器的温度随着外界环境迅速变化。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种核壳结构的柔性相变储能传感材料，其特征在于，所述材料包括相变核层、聚合物壳层和导电层；所述相变核层为热塑性聚氨酯与聚乙二醇的混合纤维，所述壳层为热塑性聚氨酯纤维，所述导电层为二维MXene材料。
2.根据权利要求1所述的核壳结构的柔性相变储能传感材料，其特征在于，所述混合纤维的直径为50nm～500nm；所述热塑性聚氨酯纤维的直径为100nm～500nm。
3.根据权利要求1所述的核壳结构的柔性相变储能传感材料，其特征在于，所述相变核层中，所述热塑性聚氨酯与聚乙二醇的质量比为10:(1～6)；所述聚乙二醇的平均分子量为1000～2000。
4.权利要求1-3任一项权利要求所述的核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将所述热塑性聚氨酯溶于有机溶剂，得壳层纺丝液；将所述热塑性聚氨酯和聚乙二醇溶于有机溶剂，得相变核层纺丝液；将LiF分散在HCl溶液中，加入Ti3AlC2进行反应，得悬浮液，将所述悬浮液离心、洗涤至上清液的pH值大于5，得沉淀，将所得沉淀超声分散，再次离心取上清液，得MXene分散液；
(2)取步骤(1)所得壳层纺丝液和相变核层纺丝液，同轴静电纺丝，得相变核层和聚合物壳层；
(3)采用喷涂法将步骤(1)所得MXene分散液涂覆在步骤(2)所得聚合物壳层上，得导电层，真空干燥，即成。
5.根据权利要求4所述的核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述有机溶剂为丙酮和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液，所述丙酮和N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1：(1～3)。
6.根据权利要求4所述的核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述壳层纺丝液和所述相变核层纺丝液中，所述弹性体的质量分数为15％～25％；所述MXene分散液中，所述MXene的质量浓度为0.5wt％～2.5wt％。
7.根据权利要求4所述的核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述相变核层和聚合物壳层的总厚度为10μm～80μm。
8.根据权利要求4所述的核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述静电纺丝的电压为12KV～16KV，纺丝距离为10cm～15cm，注液速度为0.8mL/h～1.2mL/h，纺丝时间为2h～6h。
9.根据权利要求4所述的核壳结构的柔性相变储能传感材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述MXene在导电层中的密度为0.5mg/cm2～2.5mg/cm2；所述真空干燥的温度为50℃～70℃，时间为10h～15h。
10.权利要求1-3任一项权利要求所述的核壳结构的柔性相变储能传感材料、权利要求4-9任一项权利要求所述的制备方法在智能枕头和智能床垫中的应用。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104911747A (zh) * | 2015-06-03 | 2015-09-16 | 东华大学 | 一种弹性储能相变纤维及其制备方法 |
| CN106801266A (zh) * | 2016-12-20 | 2017-06-06 | 武汉纺织大学 | 相变储能纤维及其制备方法 |
| CN108570766A (zh) * | 2018-03-16 | 2018-09-25 | 中国科学院广州能源研究所 | 一种利用同轴静电纺丝技术制备核壳结构的相变储热纤维膜的方法 |
| CN109576905A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-04-05 | 河北工业大学 | 一种基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器 |
| CN113737512A (zh) * | 2021-09-15 | 2021-12-03 | 武汉纺织大学 | 微流体涂层技术制备弹性导电纤维的方法及弹性导电纤维 |
| CN113818236A (zh) * | 2021-10-27 | 2021-12-21 | 四川大学 | 一种柔性可拉伸电子纤维膜材料及其制备方法 |
| US20220145498A1 (en) * | 2019-02-21 | 2022-05-12 | TheUnseen Limited | Fibre |
-
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104911747A (zh) * | 2015-06-03 | 2015-09-16 | 东华大学 | 一种弹性储能相变纤维及其制备方法 |
| CN106801266A (zh) * | 2016-12-20 | 2017-06-06 | 武汉纺织大学 | 相变储能纤维及其制备方法 |
| CN108570766A (zh) * | 2018-03-16 | 2018-09-25 | 中国科学院广州能源研究所 | 一种利用同轴静电纺丝技术制备核壳结构的相变储热纤维膜的方法 |
| CN109576905A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-04-05 | 河北工业大学 | 一种基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器 |
| US20220145498A1 (en) * | 2019-02-21 | 2022-05-12 | TheUnseen Limited | Fibre |
| CN113737512A (zh) * | 2021-09-15 | 2021-12-03 | 武汉纺织大学 | 微流体涂层技术制备弹性导电纤维的方法及弹性导电纤维 |
| CN113818236A (zh) * | 2021-10-27 | 2021-12-21 | 四川大学 | 一种柔性可拉伸电子纤维膜材料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 郑贤宏 等: ""高弹性 MXene/TPU 纳米纤维纱线的制备及其应变传感性能"", 《精细化工》 * |
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