摘要：与 2D 材料集成的智能纺织品通过提供远远超出传统织物的先进功能，正在彻底改变可穿戴技术领域。本文，韩国高丽大学 Wonjoon Choi、美国西北大学 Byungseok Seo等研究人员在《ADVANCED ENGINEERING MATERIALS》期刊

1成果简介

与 2D 材料集成的智能纺织品通过提供远远超出传统织物的先进功能，正在彻底改变可穿戴技术领域。本文，韩国高丽大学 Wonjoon Choi、美国西北大学 Byungseok Seo等研究人员在《ADVANCED ENGINEERING MATERIALS》期刊发表名为“Recent Progress on 2D-Material-Based Smart Textiles: Materials, Methods, and Multifunctionality”的综述，全面探讨了尖端的二维材料，如石墨烯衍生物、MXenes 和过渡金属二硫化物，并强调了它们独特的电学、机械和热学特性。详细讨论了将这些材料嵌入纺织品中的复杂方法，包括涂层、沉积、3D 打印、纺丝和其他先进方法。随后概述了智能纺织品的功能和应用，包括能量收集、环境和人类健康监测、储能、电磁干扰屏蔽和热管理，这些都有助于现代可穿戴设备的多方面功能。最后，该综述强调了向多功能性的转变，通过这种转变，2D 材料越来越多地被配置为同时执行多种角色，从而提高智能纺织品的实用性和效率。通过详细描述智能纺织品领域的当前成就和潜在进展，这篇综述强调了2D材料在打造用于医疗保健、运动等领域的下一代可穿戴设备方面的关键作用。

2图文导读

图1、2D 材料在智能纺织品中的集成及其向多功能应用的发展。

2 .1 用于智能纺织品的二维（2D）材料

基础纺织品是智能纺织品的结构基础，影响其机械耐久性、柔韧性以及与功能性涂层的兼容性。根据材料特性，基础纺织品可分为天然纤维、合成纤维和非织造纤维，每种纤维都为可穿戴电子、能量收集和传感领域的不同应用提供独特的优势（图 2）。

图2、用于智能纺织品的各种基础纺织品

本综述讨论的二维材料（包括纯石墨烯、石墨烯衍生物、MXenes 和 TMDs）的物理特性在决定它们是否适合各种应用方面起着至关重要的作用。石墨烯具有优异的导电性（≈106 S m-1）、高机械强度（杨氏模量≈1 TPa，拉伸强度≈130 GPa）和卓越的导热性（≈4000 W mK-1），因此在柔性电子器件、能量存储和电磁干扰屏蔽等应用中极具优势。[170-172]石墨烯衍生物（如 GO 和 rGO）引入了含氧官能团，提高了它们在水溶液中的分散性，使传感器和功能涂层具有可调导电性。[173-175]MXenes，尤其是 Ti3C2Tx，将金属导电性（≈104 S m-1）与亲水性官能团（OH, O, F）相结合，可在能源设备、电磁干扰屏蔽和水净化应用中实现高效的电荷传输和强大的界面相互作用。[176, 177] TMDs，包括 MoS2、WS2 和 MoSe2，表现出与层有关的带隙（从块状的≈1. 2 eV 到单层的 ≈1.8 eV），因此非常适合用于光电探测器、压电纳米发电机和柔性晶体管。总之，这些新兴的二维材料具有超越传统材料的独特而互补的功能。它们的集成有望大大提高下一代智能纺织品的性能、多功能性和应用范围。

2.2 基于2D材料的智能纺织品的制备

2.2.1 镀膜和沉积技术

涂层和沉积技术在研究和工业中是必不可少的，因为它们具有将 2D 材料沉积到各种基材（包括聚合物、金属、玻璃和纤维）上的简单性和多功能性。然而，它们的有效性取决于基材特性和涂层条件。玻璃等刚性基材在柔韧性方面提出了挑战，而干燥条件和后处理工艺会显著影响涂层的均匀性和稳定性。尽管存在这些挑战，但它们的可及性和多功能性使其成为智能纺织品研发的基础。

2.2.2 基于喷嘴的无基材纤维制造

基于喷嘴的纤维制造涉及在受控条件下通过喷嘴喷射聚合物溶液或熔体，以制造具有不同直径和表面特性的纤维。这些方法包括 3D 打印以生产毫米级结构，以及用于生产微米级到纳米级纤维的电旋或湿法纺丝。后处理工艺可用于制备多孔结构或赋予附加功能，从而增强这些技术的多功能性。除了简单的纤维生产外，基于喷嘴的方法还可以制造复杂的网络和多功能设备，使其在智能纺织品领域具有不可估量的价值。

2.2.3 其他高级技术

前面的部分介绍了将智能纺织品涂布或分层到基材、纺丝纤维和打印结构上的几种技术。然而，已经为智能纺织品制造开发了许多先进和专业的工艺。这些方法通常寻求改进或调整现有技术以满足特定的应用要求。本节介绍了基于溶液、基于化学反应和溶剂去除的工艺，强调了它们在将 2D 材料集成到先进智能纺织品中的有效性。

2.3 基于2D材料的智能纺织品的4种功能

2.3.1 能量收集

能够收集能量的智能纺织品处于可穿戴技术的前沿。这些材料将各种形式的环境能量转化为电能，有助于创建不需要外部电源的自给自足的设备。本节探讨了热电、机械电（摩擦电和压电）和太阳能发电系统与智能纺织品的集成，突出了它们有效利用环境和人力能源的潜力。

图3、智能纺织品的能量收集功能。

2.3.2 健康和环境监测

与先进材料相结合的智能纺织品正在彻底改变健康和环境监测领域。具体来说，这些设备包含能够响应生理信号和环境条件的敏感传感器，为个人健康和安全提供了新的机会。

2.3.3 储能

智能纺织品越来越多地与储能功能相结合，例如先进的超级电容器和电池技术，以增强可穿戴设备的功能和实用性。本节讨论了基于智能纺织品的储能技术的最新进展，包括超级电容器、锂电池和锌电池。

2.3.4EMI 屏蔽

由于电磁污染的日益普遍，与 EMI 屏蔽技术集成的智能纺织品正成为提高用户安全和设备性能的关键。本节介绍三种主要的 EMI 屏蔽策略，即吸收主导、反射主导和频率可调屏蔽，每种策略都采用创新材料和设计理念。

2.3.5 热管理

智能纺织品的热管理对于维持人体舒适度和福祉至关重要，尤其是在动态环境条件下。人体需要稳定的内部温度 ≈37 °C，偏离这个范围会导致不适，甚至体温过低或热衰竭等健康风险。配备热管理功能的智能纺织品通过在寒冷环境中保存身体热量或在炎热条件下散发多余热量，在确保热舒适性方面发挥着关键作用。这些功能对于户外活动、运动和医疗保健应用中使用的可穿戴技术尤为重要。本节讨论了纺织品热管理的两种主要方法，包括通过焦耳热进行主动热管理，以及使用相变材料（PCM）和辐射冷却的被动热管理。

图4、使用智能纺织品进行热管理

2.3.6 多功能

多功能纺织品代表了可穿戴技术领域的重大突破。这些先进的复合材料不仅提供单一功能，而且将多种功能集成到单个结构中，从而形成具有不同功能的协同平台（图5）。本节讨论了多功能纺织品领域的最新进展，这些纺织品结合了两种或多种功能，例如能量收集、健康和环境监测、能量存储、EMI 屏蔽和热管理。

图6、提多功能智能纺织品的示意图。将多种功能集成到单个纺织品中，展示了专门用于能量收集、人体和环境监测、储能、EMI 屏蔽和热管理的区域。设计演示各种技术如何在可穿戴应用中共存和协同，使纺织品能够与环境动态交互，同时增强用户功能和舒适度。

3小结

这篇综述全面讨论了基于二维材料的智能纺织品领域的重要进展，并强调了它们在革新多功能可穿戴电子设备方面的潜力。文章阐述了二维材料（如石墨烯及其衍生物、MXenes 和 TMDs）以及先进制造技术在增强智能纺织品功能方面的作用。这些先进的纺织品不仅是被动的织物，而且是能够收集能量、传感、储能以及提供电磁和热管理的动态系统。二维材料的独特性能，如高导电性、柔韧性、可加工性和强大的机械性能，使其成为集成到可同时实现多种功能的纺织品中的理想候选材料。

1) 智能纺织品领域即将取得变革性进展。新型二维材料和混合复合材料的不断发展有望进一步提升可穿戴设备的性能和范围。然而，一些挑战依然存在：材料兼容性和舒适性：将二维材料集成到可穿戴纺织品中的主要挑战之一是平衡材料兼容性与人体舒适度。关键是要确保这些材料能够承受纺织品通常会经历的弯曲、洗涤和一般磨损，而不会降低其功能特性。研究工作必须侧重于开发新型复合材料，既能与纺织纤维无缝结合，又能保持织物的透气、柔韧和亲肤特性，这些特性对于日常穿着至关重要。

2) 系统集成和电源管理：随着智能纺织品的发展，将多种功能组件整合成一个具有凝聚力的系统变得越来越复杂，尤其是在电源管理方面。目前的挑战在于如何设计出不仅能收集和储存能量，还能在没有笨重的外部电池或电线的情况下，在各种嵌入式传感器和设备之间有效分配电能的纺织品。

3). 生产的可扩展性：虽然基于二维材料的纺织品的实验室原型展示了很好的功能性，但将这些技术进行大规模生产仍然是一个重大障碍。生产工艺必须具有经济可行性，并能适应现有的纺织品制造基础设施。

4) 可持续性和环境影响：先进二维材料的生产、使用和处置对环境的影响日益受到关注。研究必须转向可持续的实践，从采购环保原材料到开发可回收或可生物降解的智能纺织品。此外，还必须对这些纺织品的生命周期进行全面评估，以尽量减少其生态足迹。

总之，将二维材料直接集成到智能纺织品中代表了可穿戴技术的一种新模式。通过利用这些材料的独特性能，未来的发展不仅能创造出智能、多功能的纺织品，还能推动个人医疗保健、能源效率和可持续技术解决方案的发展。

文献：