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前沿 | 用于智能可穿戴设备的透气、可水洗石墨烯纺织品!

2022.05.13   浏览:89   资讯来源:深智联
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电子纺织品在可穿戴设备的发展中非常有吸引力,因为它们有望同时具有电子产品的功能和纺织品的优越佩戴舒适性。值得注意的是,基于纺织品的电子传感器允许将传感设备无缝连接到衣服上,从而能够为医疗保健、虚拟现实和物联网等各种应用收集与人类相关的数据。因此,实现与传统纺织品相当的舒适性和耐用性的集成系统是智能可穿戴设备的终极追求之一。

来自清华大学的学者报告了一种亲水、透气、生物相容和可水洗的石墨烯装饰电子纺织品,该纺织品是在丝胶的帮助下实现的,并且可以制造舒适和集成的纺织品。石墨烯装饰纺织品是用含水石墨烯墨水染色商业纺织品制备的,该墨水含有天然丝胶蛋白涂层石墨烯,不含任何人造化学品。保形涂层的亲水性丝胶蛋白-石墨烯片和精心保留的针织结构赋予纺织品良好的导电性,优异的亲水性,生物相容性,透气性和柔韧性,确保其电子性能和穿着舒适性。而且,所得到的纺织品在用交联剂加工后是可清洗的。在所获得的纺织品的基础上,本文开发了一种可以同时收集和分析肌电和机械信号的集成多感官纺织品,能够识别和区分复杂的人体运动。这种基于传统纺织品和水性丝胶蛋白-石墨烯墨水的电子纺织品制造策略结合了亲水性、透气性、生物相容性、耐洗性和多功能性,为构建智能可穿戴设备提供了一种可扩展且可持续的方式。相关文章以“Hydrophilic, Breathable, and Washable Graphene Decorated TextileAssisted by Silk Sericin for Integrated Multimodal Smart Wearables”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接:

https://doi.org/10.1002/adfm.202200162

图1. 示意图显示了六亚甲基二异氰酸酯交联丝胶素-石墨烯(HSG)纺织品的制造a)和主要特征b)和基于HSG纺织品的集成多传感器系统(c)。

图2. 丝胶-石墨烯 (SG) 墨水和复合材料的结构和基本性能表征。a) 显示均匀 SG 墨水的光学图像。b) 膨胀石墨(EGr) 和 SG 的拉曼光谱。c) 透射电子显微镜 (TEM) 图像显示覆盖有丝胶的石墨烯薄片。d) SG 和六亚甲基二异氰酸酯交联 SG (HSG) 在水中轻轻摇晃后的光学图像。e) 水在 EGr、SG 和 HSG 上的接触角 ( n= 4)。f) SG 和 HSG的傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱。g,h)人脐静脉内皮细胞(HUVEC)在SG(g)和 HSG(h)底物上孵育 1 天后的典型荧光显微镜图像。

图3. 六亚甲基二异氰酸酯交联丝胶-石墨烯 (HSG) 纺织品的表征。a) HSG 纺织品的典型扫描电子显微镜 (SEM) 图像。b)丝胶-石墨烯(SG)纺织品和HSG纺织品(宽1cm长1.5cm )的I-V曲线。c) 水在原始纺织品、碱处理纺织品、HSG 纺织品和具有相似针织结构的棉纺织品上的垂直芯吸速率(n = 4)。d) 原始纺织品和 HSG 纺织品在40 °C 下的水蒸气传输率 (WVTR) ( n = 7)。e)洗涤过程中 SG 纺织品和 HSG 纺织品的电导率演变 ( n = 5)。f) 洗涤后 HSG纺织品(上)和 SG 纺织品(下)的典型 SEM 图像。

图4. 六亚甲基二异氰酸酯交联丝胶-石墨烯 (HSG) 纺织品的机电性能。a) HSG 纺织品的光学图像。b) 示意图显示了织物的编织结构和电阻元件的定义。c) 显示等效电阻网络的示意图。d,e)在x方向上 500 个拉伸释放循环期间测量的相对电阻变化。f)相对电阻变化与x方向上的应变。g) 在x方向具有不同最大应变的拉伸载荷期间的相对电阻变化。

图5. 六亚甲基二异氰酸酯交联丝胶-石墨烯 (HSG) 纺织品传感器的人体活动综合多模式传感系统。a) 基于 HSG 纺织应变传感器的智能手套系统示意图。b) 实时捕捉“OK”手势和计算机上显示的图像。c) 在手势“OK”期间从智能手套收集的信号。d) 示意图显示了连接到腕带上用于肌电图 (EMG) 信号收集的 HSG 纺织电极。e) 电极和皮肤之间的阻抗。f) 用 HSG 纺织电极收集的 EMG信号及其平均整流值 (ARV)。g) 示意图显示了用于监测和识别手部活动的集成多模式传感系统。h) 采集的合手、握拳、抓举信号,显示应变和肌电信号的结合,可以识别不同的活动。

本文报道了一种亲水,透气,生物相容性和可水洗的电子纺织品,通过使用绿色丝胶蛋白 - 石墨烯墨水对传统纺织品进行染色而制备。在天然丝胶蛋白的帮助下,成功制备了石墨烯并将其分散在水中,通过可扩展和直接的染色工艺促进了生物相容性电子纺织品的制造。亲水性丝胶蛋白 - 石墨烯片材被保形涂覆在纺织品纤维的表面上,从而产生良好的导电性,并使其能够作为舒适的电子纺织品应用。纺织品可以具有良好的稳定性,以通过HDI交联工艺维持常规水洗,从而促进其实际应用。最终获得的HSG纺织品具有良好的透气性、柔韧性和拉伸性,这是原始纺织品固有的。此外,HSG纺织品表现出良好的亲水性,有利于身体的透湿性。纺织品的电阻与施加的拉伸应变呈稳定的负相关,这可以归因于其独特的纬编结构。基于HSG纺织品,本文制造了由应变传感和生物电位传感部件组成的多模态全纺织智能系统,并展示了其在监测、理解和识别人体复杂活动方面的应用。基于其绿色,可扩展的制备工艺以及具有吸引力的特性,包括良好的耐用性、出色的舒适性和多功能性,本文预计丝胶素-石墨烯纺织品可能是制造全纺织品智能系统的有希望的候选者。

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