利用高性能碳纳米管纱线为可穿戴设备供电

随着物联网的发展，为无线传感器和设备供电的可持续解决方案被认为很重要。例如，热电发电机能够将废热转化为电能，可以提供可持续的解决方案。世界各地的研究人员一直在研究此类解决方案。

由日本奈良科学技术研究所(NAIST)的MasakazuNakamura领导的一个研究小组也一直在致力于柔性可穿戴热电发电机的研究，该发电机通过将碳纳米管(CNT)纳米材料缝入织物中，利用体热发电。

有效的热电(TE)材料具有高电导率，可产生高电流，塞贝克系数大，可通过温差产生电压。CNT满足大部分这些要求。它们的柔韧性和高机械强度也使它们有望用于各种TE应用。然而，CNT的高热导率限制了它们的TE性能。

为了降低其热导率，碳纳米管被分散在溶液中，在溶液中它们可以与其他材料结合。然后使用湿纺工艺将这种分散体纺成碳纳米管纱线。然而，传统的分散方法常常使纳米厚的碳纳米管丝缠结在一起，从而降低了它们的导电性和热电性能。

然而现在，Nakamura和博士在ACSAppliedNanoMaterials上发表了一项研究。NAIST的学生AnhN.Nguyen和其他成员介绍了一种分散碳纳米管的新方法。通过利用甘油作为分散剂和聚氧乙烯(50)硬脂醚作为表面活性剂(一种用于改善液体的铺展和润湿性能的物质)，研究人员获得了具有对齐的碳纳米管束的碳纳米管纱线。

中村说：“我们介绍了一种低成本、快速且环保的方法来开发柔性和织物型可穿戴热电设备。”

甘油具有高粘度，使其成为均匀分散碳纳米管的优良介质，而表面活性剂可防止碳纳米管在分散体中团聚。带有氧乙烯基团的表面活性剂也会通过进入碳纳米管束之间来阻碍传热。

表面活性剂的浓度至关重要，因为它影响碳纳米管分散体的导热性和导电性。在测试不同表面活性剂浓度(3%、4%和5%)下的CNT特性后，研究人员发现，3%的表面活性剂浓度与含有甘油和CNT的溶液结合时，效果最佳。该工艺仅需三个小时即可完成，并使用环保化学品，生产出具有高度排列的8纳米直径碳纳米管束的碳纳米管纱线，碳纳米管束之间具有表面活性剂。

排列碳纳米管通常会增加导电率和导热率。然而，通过将表面活性剂分子夹在碳纳米管束之间，研究人员能够抑制热传递。CNT纱线的功率因数为242μWm-1K-2(反射性能)，是之前通过使用离子液体作为分散剂的方法获得的CNT纱线的三倍。

“高性能的关键是解开CNT原材料的纠缠，并提高从分散体纺丝时的CNT取向程度，”Nakamura解释道。

因此，所提出的新方法有望增强从纱线到薄膜和块体结构的碳纳米管材料的热电性能。