可穿戴電子設(shè)備已成為焦點(diǎn)領(lǐng)域，如健康檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)等設(shè)備都早已進(jìn)入人們的生活。電子紡織品將成為新一代可穿戴設(shè)備，然而，現(xiàn)有的可穿戴電子織物通常需要制備導(dǎo)電紗線并使用復(fù)雜且耗時(shí)的編織、刺繡等技術(shù)，因此目前主要發(fā)展趨勢(shì)是通過(guò)涂覆或印刷來(lái)實(shí)現(xiàn)集成。
基于金屬的電子織物價(jià)格昂貴，通常有毒且不可生物降解，同時(shí)其較高的處理溫度也限制了織物材料的選擇。石墨烯具有優(yōu)異的電、機(jī)械等性能，使其可以取代金屬來(lái)制備電子織物。還原氧化石墨烯（rGO）表面官能團(tuán)與織物間存在著氫鍵、共價(jià)鍵等相互作用，對(duì)織物有著良好的附著力，但由于還原過(guò)程中造成的晶體結(jié)構(gòu)缺陷等，rGO的導(dǎo)電性很差，限制了其應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)可大規(guī)模生產(chǎn)、高導(dǎo)電性和可洗滌的基于石墨烯的可穿戴電子織物仍十分困難。
近日，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)Nazmul?Karim等人報(bào)道了一種高導(dǎo)電、可機(jī)洗的基于石墨烯的可穿戴電子織物。研究人員采用規(guī)?；慕埛▽⑹┓稚⒁和扛驳娇椢锷希?分鐘內(nèi)可生產(chǎn)150米導(dǎo)電織物，隨后進(jìn)行輥壓和封裝，實(shí)現(xiàn)了目前所報(bào)道電子織物的最低薄層電阻（≈11.92 Ω/sq），并且織物在10次機(jī)洗后仍具有有高導(dǎo)電性，機(jī)洗也不影響其彎曲、壓縮等變形響應(yīng)性，同時(shí)可拓展應(yīng)用到超級(jí)電容器和皮膚應(yīng)變傳感器。相關(guān)工作以“Highly Conductive, Scalable, and Machine Washable Graphene‐Based E‐Textiles for Multifunctional Wearable Electronic Applications”為題，近日發(fā)表于《Advanced Functional Materials》上。
【圖文講解】
研究人員首先利用規(guī)模化的微射流體法將濃縮的石墨烯剝離分散在水中，隨后采用浸軋工藝將石墨烯分散液涂布到織物上，可以以極高的速度（≈150m/min）來(lái)生產(chǎn)基于石墨烯的電子織物。隨著涂布次數(shù)增多，織物薄層電阻會(huì)逐漸降低，5次涂布后薄層電阻基本保持不變，適當(dāng)?shù)墓袒瘻囟群凸袒瘯r(shí)間可以降低織物薄層電阻，但過(guò)高的溫度則會(huì)導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)融并消失以及薄層電阻增加。后續(xù)輥壓處理能夠減少織物上石墨烯間的距離，從而進(jìn)一步降低織物的薄層電阻，可降低至≈11.92 Ω/sq，這是目前報(bào)道中電子織物所能達(dá)到的最低電阻。
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(huì)隨機(jī)洗次數(shù)增多而急劇增加，而輥壓并封裝后的電子織物多次機(jī)洗后石墨烯仍牢固附著在織物表面，具有較低的薄層薄層電阻。
電子織物具有的高導(dǎo)電性和柔韌性適用于可穿戴傳感應(yīng)用，研究人員研究了10次機(jī)洗后電子織物對(duì)彎曲、壓縮等變形的響應(yīng)性。結(jié)果顯示，機(jī)洗前后電子織物對(duì)前后彎曲、壓縮等變形的響應(yīng)性基本保持不變，多次折疊、彎曲也不會(huì)對(duì)織物的薄層電阻產(chǎn)生影響。
研究人員將基于石墨烯的電子織物與H2SO4摻雜的PVA基水凝膠聚合物電解質(zhì)復(fù)合，制備了超級(jí)電容器。該超級(jí)電容器由雙層現(xiàn)象控制，顯示出了良好的面電容（≈2.4 mF/cm2）和循環(huán)穩(wěn)定性（15000次循環(huán)后仍可保留約98%），同時(shí)顯示出了極好的柔韌性。
研究人員還將電子織物貼在手指、手腕、肘關(guān)節(jié)等身體不同部位用作可穿戴的應(yīng)變傳感器，織物顯示出了良好的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)能力，10次機(jī)洗后的織物仍具有相似的測(cè)試靈敏度。
小結(jié)
研究人員采用規(guī)模化的浸軋、輥壓和封裝等工藝制備了高導(dǎo)電性和可機(jī)洗的基于石墨烯的可穿戴電子織物，實(shí)現(xiàn)了目前電子織物最低的薄層電阻，反復(fù)機(jī)洗也不會(huì)影響織物的高導(dǎo)電性，可應(yīng)用于可穿戴傳感器和超級(jí)電容器等諸多領(lǐng)域，這一工作有助于開(kāi)發(fā)多功能的下一代基于石墨烯的可穿戴電子織物。
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