高導電性、可機洗的可穿戴電子織物

可穿戴電子設備已成為焦點領域,如健康檢測、運動監測等設備都早已進入人們的生活。電子紡織品將成為新一代可穿戴設備,然而,現有的可穿戴電子織物通常需要制備導電紗線並使用復雜且耗時的編織、刺繡等技術,因此目前主要發展趨勢是通過塗覆或印刷來實現集成。

基於金屬的電子織物價格昂貴,通常有毒且不可生物降解,同時其較高的處理溫度也限制瞭織物材料的選擇。石墨烯具有優異的電、機械等性能,使其可以取代金屬來制備電子織物。還原氧化石墨烯(rGO)表面官能團與織物間存在著氫鍵、共價鍵等相互作用,對織物有著良好的附著力,但由於還原過程中造成的晶體結構缺陷等,rGO的導電性很差,限制瞭其應用。因此,開發可大規模生產、高導電性和可洗滌的基於石墨烯的可穿戴電子織物仍十分困難。

近日,英國曼徹斯特大學Nazmul Karim人報道瞭一種高導電、可機洗的基於石墨烯的可穿戴電子織物。研究人員采用規模化的浸軋法將石墨烯分散液塗覆到織物上,1分鐘內可生產150米導電織物,隨後進行輥壓和封裝,實現瞭目前所報道電子織物的最低薄層電阻(≈11.92 Ω/sq),並且織物在10次機洗後仍具有有高導電性,機洗也不影響其彎曲、壓縮等變形響應性,同時可拓展應用到超級電容器和皮膚應變傳感器。相關工作以“Highly Conductive, Scalable, and Machine Washable Graphene‐Based E‐Textiles for Multifunctional Wearable Electronic Applications”為題,近日發表於《Advanced Functional Materials》上。

高導電性、可機洗的可穿戴電子織物

【圖文講解】

研究人員首先利用規模化的微射流體法將濃縮的石墨烯剝離分散在水中,隨後采用浸軋工藝將石墨烯分散液塗佈到織物上,可以以極高的速度(≈150m/min)來生產基於石墨烯的電子織物。隨著塗佈次數增多,織物薄層電阻會逐漸降低,5次塗佈後薄層電阻基本保持不變,適當的固化溫度和固化時間可以降低織物薄層電阻,但過高的溫度則會導致纖維結構融並消失以及薄層電阻增加。後續輥壓處理能夠減少織物上石墨烯間的距離,從而進一步降低織物的薄層電阻,可降低至≈11.92 Ω/sq,這是目前報道中電子織物所能達到的最低電阻。

高導電性、可機洗的可穿戴電子織物
圖1 電子織物導電性及形貌

還原氧化石墨烯與織物間存在的氫鍵等相互作用使其在織物表面有著良好的附著力,因此電子織物具有良好的耐洗能力。單一輥壓或密封劑封裝處理的電子織物電阻會隨機洗次數增多而急劇增加,而輥壓並封裝後的電子織物多次機洗後石墨烯仍牢固附著在織物表面,具有較低的薄層薄層電阻。

高導電性、可機洗的可穿戴電子織物
圖2 多次洗滌電子織物導電性及形貌

電子織物具有的高導電性和柔韌性適用於可穿戴傳感應用,研究人員研究瞭10次機洗後電子織物對彎曲、壓縮等變形的響應性。結果顯示,機洗前後電子織物對前後彎曲、壓縮等變形的響應性基本保持不變,多次折疊、彎曲也不會對織物的薄層電阻產生影響。

高導電性、可機洗的可穿戴電子織物
圖3 機洗前後電子織物的變形響應性

研究人員將基於石墨烯的電子織物與H2SO4摻雜的PVA基水凝膠聚合物電解質復合,制備瞭超級電容器。該超級電容器由雙層現象控制,顯示出瞭良好的面電容(≈2.4 mF/cm2)和循環穩定性(15000次循環後仍可保留約98%),同時顯示出瞭極好的柔韌性。

高導電性、可機洗的可穿戴電子織物
圖4 電子織物用作超級電容器

研究人員還將電子織物貼在手指、手腕、肘關節等身體不同部位用作可穿戴的應變傳感器,織物顯示出瞭良好的運動檢測能力,10次機洗後的織物仍具有相似的測試靈敏度。

高導電性、可機洗的可穿戴電子織物
圖5 電子織物用作應變傳感器

小結

研究人員采用規模化的浸軋、輥壓和封裝等工藝制備瞭高導電性和可機洗的基於石墨烯的可穿戴電子織物,實現瞭目前電子織物最低的薄層電阻,反復機洗也不會影響織物的高導電性,可應用於可穿戴傳感器和超級電容器等諸多領域,這一工作有助於開發多功能的下一代基於石墨烯的可穿戴電子織物。

相關鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000293

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