一、研究背景

在寒冷的环境中，保持正常的体温对保证生命体征的维持至关重要。为了在寒冷的天气中提供温暖舒适的环境，人类设计了多种方法，包括空调，燃煤供暖和集中供暖。然而，这些主动采暖方式效率低下，消耗约47% %的世界能源，这对能源危机有很大贡献，而且只能让人们在室内取暖。由于损伤，运动员和老年人经常会出现关节或肌肉疼痛、炎症和肿胀（Cui et al., 2022）。热的应用不仅可以维持机体的正常体温，还可以提高受伤部位血管系统和周围组织的温度。这样可以有效地促进血液循环，从而提供一定的治疗效益，减轻损伤症状。与笨重的传统电线式电加热设备相比，加热人体局部微环境的个人热管理纺织品已经成为提高人体热舒适度的节能技术。因此，开发效率更高、能耗更低、更灵活、更舒适的柔性可穿戴主动加热装置具有迫切的意义。可穿戴应变传感器具有快速响应能力，可有效监测人类活动。

目前制备柔性二维导电器件的主要方法是在薄膜或织物的表面或内部合成、混合或浸涂导电物质，目的是构建导电通道。石墨烯是一种典型的二维（2D）单层碳纳米晶格材料，由碳原子sp2杂化并连接形成具有优异载流子迁移率（~ 1.5 × 104 cm2∙V−1∙s−1）的蜂窝晶格。石墨烯的特殊性质引起了学术界的极大兴趣，在柔性传感器、柔性电极和其他领域得到了应用。在石墨烯中加入B、N、O和F等元素已被证明可以增强其导电性和活性。聚吡咯（PPy）是一种导电聚合物，与其他制备工艺复杂、稳定性有限的聚合物相比，由于其制备简单、易于掺杂和良好的环境稳定性，被众多研究人员认定为该领域最有前途的材料之一。此外，PPy优异的化学稳定性保证了其生物相容性，消除了在日常使用中对使用者的任何潜在危害。此外，由于π-π效应，吡咯（Py）可以吸附在其他导电碳材料的外表面，促进载流子运动，提高导电性。构建多个导电网络是增强可穿戴电子产品功能的有效方法。导电聚合物能够通过形成强大的π-π相互作用和范德华力生长并与石墨烯结合，其中π-π相互作用可以有效抑制石墨烯层间、层间和链内屏障。因此，通过π-π相互作用将石墨烯与PPy复合将是提高多功能可穿戴电子产品性能的有效解决方案。

衣服是人类社会的基本特征，从史前时代起，人类就用它来遮挡、保暖和保护自己。纺织品提供良好的舒适性，灵活性和良好的机械性能，可以适应各种复杂的覆盖形状。随着纺织技术的发展，纺织基导电材料被认为是满足柔性电子需求的新兴材料，是一个研究热点。导电纺织品作为个人热管理中的主动加热材料已被广泛研究，在外部电压驱动下能够表现出良好的焦耳热性能。由于其优越的性能，包括舒适的触感、吸湿透气、可接近性和可生物降解性，棉纺织业已广泛应用于各种工业和家庭应用中。棉织物的化学结构中含有大量的活性羟基，有助于棉织物的功能化，保证涂层材料的粘附和分布。此外，纺丝过程产生的螺旋结构和织造过程中织物组织的柔性设计，使棉织物在复杂导电路径的构建中具有显著的优势。因此，棉织物是制备导电功能织物的良好平台，可以更简单地加载导电材料，构建导电网络，在智能纺织品领域具有很大的潜力。

在此，我们开发了柔性可穿戴石墨烯/聚吡咯棉（g - py - cot）针织织物，用于个人热管理。采用浸涂和原位氧化聚合两种方法在棉纤维表面构建了石墨烯-聚吡啶复合导电结构。所得到的结构被用于制备具有焦耳加热功能的可穿戴热管理设备。富含纤维素的纯棉针织物由于其柔韧性，可以高效地装载大量导电功能物质，从而促进导电网络的形成，提高导电性能。聚吡啶与石墨烯的结合显著提高了导电网络中的载流子迁移率，从而提高了导电性。石墨烯和聚吡咯在g - py - cot导电织物中的结合，由于两种材料之间的协同作用，是这些性能的最佳组合，从而产生了最有利的导电性和焦耳加热性能。它证明了在10 V下快速达到141.9°C温度的能力。当G-PPy-COT织物放置在志愿者的关节中时，它能够将关节快速加热到7 V，有效改善关节的血液循环。g - py - cot织物展示了有效的运动传感能力，能够在2-8 %应变范围内识别织物的运动。这显示了在个人热管理和医疗保健方面的应用潜力。

二、摘要

可穿戴电子设备是一种流行的个人热管理和健康检测技术。然而，这些由金属线制备的器件通常面临着不灵活、不安全和易损坏的挑战。在这里，针织棉织物在导电石墨烯和聚吡咯（PPy）的装饰下，发展成为一种柔性多功能织物（G-PPy-COT）。导电g - py - cot织物是通过在棉纱中加入石墨烯和聚吡啶而制成的。石墨烯与聚吡啶之间的良好协同作用显著提高了针织棉织物的导电性。g - py - cot织物的优异导电性能促进了卓越的焦耳加热性能（10 V时141.9°C）和应变传感能力（GF=3.75）。g - py - cot织物具有良好的焦耳加热性能，具有热疗的潜力。当G-PPy-COT织物附着在关节上并以7 V供电时，关节的血液循环在200 s得到改善。本研究为农作物衍生电子产品的发展奠定了基础，这些产品在可穿戴技术中具有良好的成本效益和环境友好性。

三、结论

将导电石墨烯和聚吡咯（PPy）作为焦耳加热和体感元件，与捻纱结合制成一种由农作物衍生的针织柔韧棉织物。针织物独特的结构和丰富的活性单元及其协同作用促进了导电元素的沉积，而石墨烯和聚吡啶的协同作用促进了导电元素在棉纱上的分布。由于其高度的协同作用，g - py - cot织物具有良好的导电，焦耳加热和应变传感性能。g - py - cot织物可在10v下加热至141.9°C，响应速度快，5次循环后稳定性好，在2 - 8%的应变范围内保持一致的传感。G-PPy-COT织物能有效改善局部血液循环，在G-PPy-COT织物敷于关节处时，可在200 s （7 V）内加热关节及周围组织。这种灵活、舒适的焦耳加热织物可能为利用自然作物优化可穿戴设备铺平道路。

图1.(a)焦耳加热导电g - py - cot织物应用示意图；(b) g - py - je焦耳加热织物的制备过程；(c)针织棉织物的三维光学照片；(d) G-COT织物三维光学照片；(e) G-PPy-COT织物的三维光学照片。

图2.(a) g - py - cot织物与手关节连接的数字图像；(b) 7 V电压下g - py - cot织物对志愿者关节的温度-时间曲线；(c)志愿者手部在加热过程中的平均温度变化；G-PPy-COT织物加热前(d)、加热后(e)和加热后(f)的红外图像。