新材料-石墨烯

2022-01-15 11:31:54 47

纺织是个传统产业,可在这传统产业里也有新花样、新技术,只要下大力气传统就不再“传统”。为迎合消费者对服装需求的改变,专业人士正在通过创新与融合新技术来达到甚至超过消费者期望。

石墨烯是目前自然界薄、强度的材料,强度比钢材高200倍,同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。

作为目前发现的薄、强度、导电导热性能强的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”,是“新材料”,有科学家预言石墨烯极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命,将“彻底改变21世纪”。

2010年诺贝尔物理学奖获得者、英国皇家科学院院士、英国石墨烯研究院首席科学家、英国曼彻斯特大学荣誉教授、新加坡国立大学教授Konstantin Novoselov发表了题为《石墨烯在智能纺织品中的应用》的演讲,基于其多年来对石墨烯的研究成果与经验,介绍了石墨烯的性能特点、制备方法及智能纺织品中的应用实例。

什么是石墨烯?聚焦石墨烯的性能特点及制备方法

石墨烯的结构是碳原子紧密堆积而成的单层二维蜂窝状晶格结构(图1),虽然结构简单,但却拥有诸多优点。它是目前薄的材料之一,具有良好的导电导热性、优异的柔性强度……石墨烯集合了上述所有优点于一体。

石墨烯的相关性能使其具有前景广阔的应用领域,例如复合材料、薄膜、柔性电子、能源、生物应用等,其中很多相关应用均已面市。关于石墨烯的制备方法,初的研究方式是对石墨采取机械剥离法,但这种方式并不具有可持续性,而且从石墨中提取的石墨烯可控性较差。

石墨烯在智能纺织品上的应用

Konstantin Novoselov研究团队加大了石墨烯相关领域的研究力度,并将相关研究成果应用在智能纺织品或个人防护装备上。

石墨烯可应用于打印RFID标签以及纺织品上,其具有多种存在形式,如石墨烯粉末、石墨烯悬浮液或石墨烯导电浆料等,用来制作各种各样的电子配件。应用于可打印的RFID标签时,通过采用石墨烯导电浆料打印出的H型标签或UH型标签均有不俗表现,但很难使用其他二维材料打印出这种类型的标签。

为什么选择石墨烯?

其原因主要有以下几点:

(1)石墨烯导电浆料可以直接印刷在纸张上,无需其他操作;

(2)技术具有生态环保性;

(3)该材料具有良好的柔韧性;

(4)重要的是可打印技术具有灵活可变性,减少了传统铝蚀刻所造成的浪费;使材料成本和技术成本小化。

基于此,已经有企业开始生产绿色环保的石墨烯RFID标签。不需要使用太多设备,不会产生过多材料浪费,只需要使用很少量的石墨烯导电浆料,再次彰显了该项技术的价格合理性以及生态友好性。

除此之外,还有许多其他的应用可能性,RFID应用中需要在电子标签中集成传感器,如温度传感器、湿度传感器、电传感器、压力传感器、磁感应传感器等;并且可尝试使用改性传感器,集成不同的信号,传导不同的结果。

石墨烯与纺织品还可以如何结合应用

一般有两种结合应用方式:

(1)可采用还原氧化石墨烯溶液对纤维进行改性浸涂处理,烘干后可得到石墨烯改性纤维;对纱线进行石墨烯涂层处理后,获得的功能性纱线可用于传感器或是连接传导。

(2)在面料表面直接涂覆,之后通过轧压工艺强化涂层,工艺的选择主要取决于终的应用领域。这两个方式均可以用于如智能纺织产品的传感器、可穿戴电池或RFID标签上,起到连接作用。

此外,运用石墨烯传感器还可以感应到压力变化(图 5),例如将传感器放置在衣服的不同位置,当躯干弯曲时,传感器输出的曲线也会随之发生变化,因此可以轻松地根据曲线判断阻力所发生的变化,依此衡量活动中胳膊或肘部的阻力大小。传感器可以感知的阻力变化范围高达10%,这种方式远比电子器件衡量法更舒适;并且水洗后的传感器测试结果并没有太大变化。

石墨烯传感器还可以感应到压力变化

如何将石墨烯与面料相结合

由于石墨烯是晶体结构,不能直接拉扯,因此可生产具有弹力的面料,先将面料拉伸开,随后将石墨烯附在面料表面,石墨烯十分柔软,可直接按压;当拉伸面料时,表观温度也随之变化。

石墨烯与面料相结合

因此,相关材质可以用在一些更复杂的应用上,通过改变电极的排布,通以不同大小的电压,赋予不同的性能,应用于服装上具有快速改变穿戴者表观温度的功能;并且相关变化只能通过红外设备才能看到不同波长所传递的信息,可以将这项新技术应用在保密通信领域,只能在特定环境如红外摄像头下才可以读取相关消息。

应用于服装上可以快速改变穿戴者表观温度

目前,石墨烯材料已经用于纺织品领域之中,相关的需求将出现增长。任何新的应用都需要研究如何对石墨烯进行改性处理,如何使其满足功能化应用,因此相关的配方和生产工艺需要同步升级。

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