電子織物將電子功能與紡織品相結合,是柔性電子領域近些年來的熱點方向。電子織物除了具備柔軟的機械效能,還可以利用纖維的多孔結構達到出色的透氣效能,極大的提高了電子器件在長期可穿戴過程中的舒適性。
現時,主要通過在纖維表面沉積金屬塗層、金屬納米線、導電聚合物等方法使紡織品獲得導電性。然而這些導電圖層在承受大形變、剮蹭和反復洗滌過程中易於脫離,是電子織物、表皮電極等期間主要的功能失效管道,
如何製備出高電導率、拉伸性好、輕薄透氣,同時還可以清洗反復可以使用的的導電織物和功能器件是該領域的覈心挑戰之一。
針對上述問題,南京大學孔德聖課題組提出一種聚合物紡絲和納米銀線同步自組裝製備的方法來解决這一問題。在電紡絲聚合物彈性體絲的同時噴塗納米銀線作為導電物質,這種三維空間相互交叉綁定的電極構建管道,奇迹般的獲得了非常優良的高電導率(>5000 S cm–1)和可承受大應變的能力(>600%),這是基於納米銀線電極現時報導的最拉伸導電性。這種三維空間電極還具備極佳的耐洗、耐磨效能,在洗衣機中反復洗滌依然保持非常穩定的電學和力學性能。這項研究極大的推進了可拉伸電子電極的實用化行程,相關成果近日發表於美國化學會資料旗艦期刊ACS Materials Letters上。
1.同步自組織製備方法,優异的物理特性
孔德聖課題組通過靜電紡絲、噴塗納米銀線同步製備工藝,獲得了基於銀納米線/聚氨酯微米纖維的導電織物。這種織物具有高電導率(>5000 S cm–1)、超高拉伸性(~600%應變)和出色的迴圈耐久性。在承受應變分別為50%時,電阻新增1.21倍、100%應變時新增1.66倍、200%應變時新增4.4倍、400%應變時新增24.2倍和600%應變時的新增100.5倍。
2.透氣性和耐久性
為了測試其實用效能,該文測試了不同厚度織物的透氣效能,其中500μm厚的導電織物去其透水氣率為13.1 g/(h·m2),與傳統織物的效能相當,充分滿足了人體對織物透氣性的要求;進一步測試了電極的水洗效能,將導電織物在清水和洗滌劑中進行反復洗滌,其電阻值不僅沒有明顯上升,而且由於包裹在銀納米線上表面活性劑的去除而略微下降,展示出良好的水洗效能。
3、纖維直徑的影響
織物是銀納米線組裝的結構支架,纖維直徑是影響導電織物的微觀結構和物理性能决定性因素之一。該論文通過實驗證實基於微米纖維(直徑10μm)的導電織物拉伸效能很好,而基於納米纖維(直徑500nm)的導電織物拉伸效能則不盡人意。該現象的主要原因在於銀納米線可以完全附著在聚氨酯微米纖維表面,在拉伸的過程中銀納米線與微米纖維協同變形,具有優异的結構穩定性。聚氨酯納米纖維的直徑較小無法有效固定銀納米線,大量銀納米線懸空搭接在納米纖維之間,在拉伸的過程中大量銀納米線由於脫落和滑動,使得織物的電導率顯著下降。
4、基於電子織物的可穿戴人機介面
該文進一步製備了基於電子織物的肌電傳感器件,其採用四通道設計實时採集上臂肌群處不同手勢對應的電信號,利用基於XGBoost模型的機器學習算灋,利用短暫的訓練過程,可對複雜手勢的進行高精度動態識別,從而實現了玩具車的無線體感遙控。該文採用t-SNE降維視覺化科技對資料庫中的不同手勢的肌電數據進行了降維分析,從圖中可以看出每組手勢的肌電訊號數據點聚集在一起,並且每組手勢之間的差別較大,基本不存在數據點重合的現象,表明電子織物可以靈敏的監測並區分不同手勢之間的肌電訊號差异,具有很高的區分度。
全文連結:
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsmaterialslett.1c00128
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