废旧棉织物在可穿戴柔性电子设备中高值化用的研究进展

一、引言

随着时代的进步与发展，人们希望服装在满足基本生活需求的同时，兼具舒适、时尚和潮流的元素，服装等纺织产品更替迅速，使用寿命明显缩短。所以，全球棉织物产量呈翻倍式增长，带来了巨大的经济价值，人均年棉织物消费量也从每人 7kg 增加到 13kg 与此同时，我国纺织原材料的进口量占比高达 65% 以上 [1]，废旧棉织物产生量则达 4 000 万 t^[2] 。其中，由于棉纤维具有亲肤吸汗的优点，因此在包括服用纺织品在内的各种纺织品中棉纤维的占比最多，约为 90% 以上，可回收利用的资源量非常巨大[3]。

随着电子技术的高速发展，对于便携式可穿戴设备的研究也越来越多。柔性电子产品因其轻便，超薄和柔软的特性而备受消费 者的喜爱。将废旧棉织物应用于可穿戴柔性设备中，可以实现废旧资源的再利用，具有很高的研究价值。

本研究通过综合分析现有文献，旨在全面掌握和深入探讨废旧棉织物在可穿戴柔性设备中高值化利用的机制，以及这一过程如何通过技术创新实现资源的有效转化。在废旧棉织物高值化领域，已有众多研究对不同的处理技术和应用场景进行了识别和评估，揭示了其在可穿戴设备中的应用潜力。尽管如此，由于棉织物的复杂性和可穿戴柔性设备研发的相对新颖性，仍有许多科学问题和技术挑战待解。

二、废旧棉织物在可穿戴柔性设备中的应用

2.1 柔性超级电容器

废旧棉织物，因其独特的物理和化学特性，正逐渐成为制备柔性超级电容器的理想材料。

柔性超级电容器通常由两个柔性电极，固态 / 凝胶态电解质和隔膜组成。水凝胶材料因其独特结构带来的物理化学性质，逐渐成为电子器件中电解质的理想材料。同时水凝胶能够通过多种交联技术进行简单制备，可以更加灵活地应用在电解质材料中。以废旧棉织物为纤维素原料，制备纤维素水凝膜，提供了一种环境友好的制备方法，以实现低成本纤维素原料的高附加值再利用。

通过在棉纤维中掺杂导电聚合物，如聚苯胺或聚吡咯，这些聚合物能够在纤维结构中形成导电网络，从而显著提高棉织物的比容量。此外，通过嵌入金属纳米线，如银纳米线或碳纳米管，可以进一步增强废旧棉织物的导电性。银纳米线以其极高的导电率而著称，而碳纳米管则因其出色的机械性能和导电性而备受青睐。这些纳米材料的引入，使得棉织物不仅能够存储更多的电荷，而且在面对弯曲、折叠甚至扭曲的机械应力时，仍能保持其电化学性能的稳定性。

改性后的棉织物制成的柔性超级电容器，不仅保持了棉织物的轻便和透气性，还具备了超级电容器的所有优点。这种电容器可以在不牺牲其性能的情况下，适应各种复杂的形状和尺寸，这使得它们在可穿戴设备中的应用变得极为广泛。

2.2 柔性传感器

废旧棉织物在制备柔性传感器领域的应用，展现出了其独特的优势和创新潜力。这种材料不仅具有良好的生物相容性和舒适性，而且其天然的柔韧性和可加工性，使得它成为制造柔性传感器的理想选择。

在制备过程中，科研人员通过在棉纤维的表面沉积一层导电材料，如导电聚合物（如聚苯胺、聚吡咯等）或金属纳米线（如银纳米线、金纳米线等），从而赋予棉织物对压力、温度、湿度等物理量的敏感响应能力。这种沉积过程通常采用喷涂、涂覆或浸渍等方法，确保导电材料均匀地覆盖在棉纤维上，而不破坏其原有的结构和性能。

这些柔性传感器可以被集成到各种可穿戴设备中，如服装、手套、鞋类等，为用户提供实时的监测和数据支持。例如：手套中的压力传感器，在医疗领域，这种传感器可以帮助医生评估患者的手部力量和运动能力，对于康复治疗尤其有用。对于运动员来说，这些数据可以帮助他们优化训练计划，提高运动表现。环境监测，柔性传感器还可以用于监测环境中的温度、湿度等参数，例如在智能家居系统中，可以用来调节室内温度和湿度，提供舒适的生活环境。

三、结论与展望

废旧棉织物，作为一种传统的天然纤维材料，虽然在可穿戴柔性设备领域具有独特的优势，如生物相容性、舒适性以及环保性，但其导电性、机械性能等关键指标与目前市场上高性能的柔性电子材料相比，确实存在一定的差距。为了使废旧棉织物在柔性电子设备中得到更广泛的应用，需要进一步的研究和改进。

首先，废旧棉织物的导电性是制约其应用的关键因素之一。棉织物本身是非导电的，其导电性远低于金属、导电聚合物等材料。

其次，机械性能也是废旧棉织物在柔性电子设备中应用的重要考量因素。棉织物在拉伸、弯曲等力学性能方面与柔性电子材料相比存在不足，这可能会影响设备的耐用性和可靠性。

通过对废旧棉织物的预处理和改性，可以提高其在柔性电子设备中的应用性能。有关废旧棉织物的研究不仅促进了废旧棉织物的回收利用，还为环境保护与可持续发展事业做出有利帮助。同时废旧棉织物在可穿戴柔性设备的高值化应用，在诸多方面都展示出其发展潜力，生物相容性，舒适性，环保性等性能更加优越，在市场中具有其独特优势。但是在目前的研究中，同样存在诸多挑战。对于废旧棉织物的导电性，可采取表面图层，复合增强，化学改性等手段来提高废旧棉织物的导电性。废旧棉织物的机械性能则可以通过物理改性，结构设计，材料复合等手段来提高。

参考文献：

[1] 张美玲. 水热条件下废旧涤棉混纺织物的分离及再利用的研究[D], 2018.

[2] 李静 , 李晓清 . 积极探索我国废旧纺织品的回收和再利用 [J].中国纤检 , 2016, (04): 28-30.

[3] 顾明明, 唐世君. 我国废旧纺织品综合利用现状及发展方向 [J].再生资源与循环经济 , 2012, 5(01): 27-9.

作者简介：张子怡、2005、女、本科在读、主要研究方向为柔性超级电容器。

通讯作者：赵红、1992、女、博士、讲师、河南省、从事废旧纺织品在柔性可穿戴中的高值化利用。