高导电性、可机洗的可穿戴电子织物

可穿戴电子设备已成为焦点领域,如健康检测、运动监测等设备都早已进入人们的生活。电子纺织品将成为新一代可穿戴设备,然而,现有的可穿戴电子织物通常需要制备导电纱线并使用复杂且耗时的编织、刺绣等技术,因此目前主要发展趋势是通过涂覆或印刷来实现集成。

基于金属的电子织物价格昂贵,通常有毒且不可生物降解,同时其较高的处理温度也限制了织物材料的选择。石墨烯具有优异的电、机械等性能,使其可以取代金属来制备电子织物。还原氧化石墨烯(rGO)表面官能团与织物间存在着氢键、共价键等相互作用,对织物有着良好的附着力,但由于还原过程中造成的晶体结构缺陷等,rGO的导电性很差,限制了其应用。因此,开发可大规模生产、高导电性和可洗涤的基于石墨烯的可穿戴电子织物仍十分困难。

近日,英国曼彻斯特大学Nazmul Karim等人报道了一种高导电、可机洗的基于石墨烯的可穿戴电子织物。研究人员采用规模化的浸轧法将石墨烯分散液涂覆到织物上,1分钟内可生产150米导电织物,随后进行辊压和封装,实现了目前所报道电子织物的最低薄层电阻(≈11.92 Ω/sq),并且织物在10次机洗后仍具有有高导电性,机洗也不影响其弯曲、压缩等变形响应性,同时可拓展应用到超级电容器和皮肤应变传感器。相关工作以“Highly Conductive, Scalable, and Machine Washable Graphene‐Based E‐Textiles for Multifunctional Wearable Electronic Applications”为题,近日发表于《Advanced Functional Materials》上。

高导电性、可机洗的可穿戴电子织物

【图文讲解】

研究人员首先利用规模化的微射流体法将浓缩的石墨烯剥离分散在水中,随后采用浸轧工艺将石墨烯分散液涂布到织物上,可以以极高的速度(≈150m/min)来生产基于石墨烯的电子织物。随着涂布次数增多,织物薄层电阻会逐渐降低,5次涂布后薄层电阻基本保持不变,适当的固化温度和固化时间可以降低织物薄层电阻,但过高的温度则会导致纤维结构融并消失以及薄层电阻增加。后续辊压处理能够减少织物上石墨烯间的距离,从而进一步降低织物的薄层电阻,可降低至≈11.92 Ω/sq,这是目前报道中电子织物所能达到的最低电阻。

高导电性、可机洗的可穿戴电子织物
图1 电子织物导电性及形貌

还原氧化石墨烯与织物间存在的氢键等相互作用使其在织物表面有着良好的附着力,因此电子织物具有良好的耐洗能力。单一辊压或密封剂封装处理的电子织物电阻会随机洗次数增多而急剧增加,而辊压并封装后的电子织物多次机洗后石墨烯仍牢固附着在织物表面,具有较低的薄层薄层电阻。

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图2 多次洗涤电子织物导电性及形貌

电子织物具有的高导电性和柔韧性适用于可穿戴传感应用,研究人员研究了10次机洗后电子织物对弯曲、压缩等变形的响应性。结果显示,机洗前后电子织物对前后弯曲、压缩等变形的响应性基本保持不变,多次折叠、弯曲也不会对织物的薄层电阻产生影响。

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图3 机洗前后电子织物的变形响应性

研究人员将基于石墨烯的电子织物与H2SO4掺杂的PVA基水凝胶聚合物电解质复合,制备了超级电容器。该超级电容器由双层现象控制,显示出了良好的面电容(≈2.4 mF/cm2)和循环稳定性(15000次循环后仍可保留约98%),同时显示出了极好的柔韧性。

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图4 电子织物用作超级电容器

研究人员还将电子织物贴在手指、手腕、肘关节等身体不同部位用作可穿戴的应变传感器,织物显示出了良好的运动检测能力,10次机洗后的织物仍具有相似的测试灵敏度。

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图5 电子织物用作应变传感器

 

小结

研究人员采用规模化的浸轧、辊压和封装等工艺制备了高导电性和可机洗的基于石墨烯的可穿戴电子织物,实现了目前电子织物最低的薄层电阻,反复机洗也不会影响织物的高导电性,可应用于可穿戴传感器和超级电容器等诸多领域,这一工作有助于开发多功能的下一代基于石墨烯的可穿戴电子织物。

相关链接:

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

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