激光打印技術(shù)可以在幾分鐘內(nèi)生產(chǎn)防水可拉伸電子紡織品

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：澳大利亞墨爾本皇家理工大學(xué)的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種經(jīng)濟(jì)高效,、可擴(kuò)展的方法,，用于快速制造嵌入紡織品的儲(chǔ)能裝置,。下一代防水智能織物將在幾分鐘內(nèi)進(jìn)行激光印刷和制作,。這是研究人員在新型電子紡織技術(shù)背后所想象的未來(lái),。

電子紡織品/智能服裝是可穿戴技術(shù)的一個(gè)分支,，由于其巨大的潛力，例如將電子設(shè)備、能量存儲(chǔ)和天線與紡織品結(jié)合在一起,，因此備受關(guān)注,。該技術(shù)能夠使無(wú)線通信、健康感應(yīng)及監(jiān)控和可以在智能城市,、偏遠(yuǎn)地區(qū),、電信和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)中找到應(yīng)用的發(fā)光器件適用于自足式下一代可穿戴設(shè)備。

這些自供電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要太陽(yáng)能電池或壓電發(fā)電機(jī)等能量收集器的支持,。但是這些能量收集器的不可持續(xù)性要求這些儲(chǔ)能器具有成本效益,、經(jīng)久耐用、高性能,、具有柔韌性和可拉伸性的機(jī)械強(qiáng)度,、無(wú)毒且不易爆的特點(diǎn)。目前,，繁瑣的紐扣電池及袋式鋰離子電池通過(guò)膠合,、縫合在衣服上被使用作儲(chǔ)能器。用于電子紡織的另一種常見(jiàn)的能量存儲(chǔ)是基于向大型制造能力擴(kuò)展的纖維或紗線,，將電極,、隔離物和電解質(zhì)合并到單根纖維中。然而,，此類(lèi)的低表面積可能導(dǎo)致能量存儲(chǔ)能力低,，這導(dǎo)致需要組裝大束纖維以實(shí)現(xiàn)支撐電子紡織所需的能量存儲(chǔ)。

樣品電路印在織物上,。圖片來(lái)源：Felice Torrisi

RMIT科學(xué)學(xué)院的研究員Litty Thekkakara博士也表示,，具有內(nèi)置傳感、無(wú)線通信或健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的智能紡織品需要強(qiáng)大而可靠的能源解決方案,。目前的智能紡織品能量存儲(chǔ)方法,，例如將電池縫在衣服上或使用電子纖維，可能既麻煩又沉重,，并且還存在容量問(wèn)題,。

皇家墨爾本理工大學(xué)Litty Thekkakara博士

印刷儲(chǔ)能器可用于替代可集成儲(chǔ)能器，因?yàn)槠渲亓枯p,，結(jié)構(gòu)緊湊,，為可穿戴技術(shù)提供了動(dòng)力。用于能量存儲(chǔ)電極制造的主要方法包括絲網(wǎng)印刷和噴墨印刷,。但是這些方法增加了制造中的額外步驟和時(shí)間,，機(jī)械強(qiáng)度低，并導(dǎo)致了額外成本,，這可能對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)儲(chǔ)能集成電子紡織品產(chǎn)生負(fù)面影響,。

另一方面,，使用最佳輻照條件的激光印刷是一種適用于納米到大型結(jié)構(gòu)的單步光學(xué)平版印刷制造方法。使用低維材料（如活性炭和石墨烯）作為這些能量存儲(chǔ)的電極材料,，以及合適的電解質(zhì),，可以解決電子紡織品的能量存儲(chǔ)相關(guān)問(wèn)題。根據(jù)已有的研究成果顯示,，高達(dá)150％的可伸縮激光印刷石墨烯超級(jí)電容器對(duì)可穿戴技術(shù)來(lái)說(shuō)是有望達(dá)成的,，而可穿戴技術(shù)又依賴于氧化石墨烯(GOs)的自愈特性。

在該研究中,，研究人員演示了在3分鐘制造時(shí)間內(nèi),，大型防水可拉伸紡織品結(jié)合激光打印石墨烯儲(chǔ)能在尺寸為100 cm2紡織品內(nèi)，該儲(chǔ)能器屬于超級(jí)電容器類(lèi)別,，并將這些超級(jí)電容器的研究擴(kuò)展到紡織品集成太陽(yáng)能存儲(chǔ),。

這項(xiàng)新技術(shù)可以在3分鐘內(nèi)生產(chǎn)出10x10厘米的智能紡織品貼片。 圖片來(lái)源：皇家墨爾本理工大學(xué)

下圖給出了形成防水激光打印石墨烯儲(chǔ)能器的整個(gè)過(guò)程的示意圖,，該過(guò)程擴(kuò)展到石墨烯太陽(yáng)能儲(chǔ)能器的形成,。在初始階段，將由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的彈性體溶液涂覆在織物的一側(cè),，以實(shí)現(xiàn)尼龍織物的防水性能,，然后待其干燥（方法）。這些織物的另一面涂有氧化石墨烯（GO,；graphene oxide）/啞光粘合劑溶液,，以形成厚度為3μm的薄膜。粘合劑介質(zhì)的存在為GOs提供了防水性能,。

大型防水激光印刷石墨烯太陽(yáng)能存儲(chǔ)器的制造步驟示意圖

此外,，考慮到避免對(duì)下層織物的損害，使用從連續(xù)波(CW)到飛秒(fs)脈沖變化的不同類(lèi)型的激光束來(lái)進(jìn)行減少織物上涂覆的氧化鎵/無(wú)光澤薄膜的試驗(yàn),，以獲得能量存儲(chǔ)電極的均勻電導(dǎo)率和孔隙率條件,，因?yàn)檫@兩個(gè)因素在能量存儲(chǔ)電容的形成中是必不可少的。

激光印刷石墨烯超級(jí)電容器,。

圖解：激光打印的石墨烯分形電極在6 W（Scale-2.5 cm）的激光束功率下獲得的100cm2區(qū)域的照片圖像,。重點(diǎn)介紹：涂有厚度為10μm的激光打印石墨烯薄膜的織物的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，以及由于去除水分而導(dǎo)致GO薄膜的光熱還原而暴露的激光打印石墨烯,。

當(dāng)這些電子元件與汗水或環(huán)境中的水分接觸時(shí),，也會(huì)遭受短路和機(jī)械故障。研究人員開(kāi)發(fā)的基于石墨烯的超級(jí)電容器不僅可以完全清洗,，而且可以存儲(chǔ)為智能服裝供電所需的能量,，而且可以在數(shù)分鐘內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)。該研究還分析了概念驗(yàn)證型智能紡織品在各種機(jī)械,，溫度和耐洗性測(cè)試中的性能,，發(fā)現(xiàn)其保持穩(wěn)定和高效。

該技術(shù)使石墨烯超級(jí)電容器（功能強(qiáng)大且持久的能量存儲(chǔ)設(shè)備,，可以輕松地與太陽(yáng)能或其他電源結(jié)合使用）可以直接激光印刷到紡織品上,。在概念驗(yàn)證中，研究人員將超級(jí)電容器與太陽(yáng)能電池相連,，從而提供了一種高效,、可清洗和自供電的智能織物，該織物克服了現(xiàn)有電子紡織儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵缺點(diǎn),。

上海理工大學(xué)RMIT名譽(yù)教授兼杰出教授Min Gu表示,，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電子紡織品可再生能源的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。通過(guò)解決電子紡織品與儲(chǔ)能相關(guān)的挑戰(zhàn),，我們希望為下一代可穿戴技術(shù)和智能服裝提供動(dòng)力,。

最后，不斷發(fā)展的智能面料行業(yè)在可穿戴設(shè)備中為消費(fèi)者,、醫(yī)療保健和國(guó)防部門(mén)提供了多種應(yīng)用,，從監(jiān)控患者的生命體征到跟蹤野外士兵的位置和健康狀況，以及飛行員,、駕駛員疲勞程度監(jiān)測(cè),。

本文來(lái)源：DOI: 10.1038/s41598-019-48320-z