塗有少量石墨烯的棉織物作為高響應表面加熱器和輕型電子紡織電路

2020-10-03 材料分析與應用

成果簡介

本文，斯特拉斯堡大學研究人員提出一種環保且經濟高效的方法生產高度分散的薄層的石墨烯，使用karaya膠作為一種生物啟發剝離劑。合成後的石墨烯水溶液可以通過浸塗或刷塗輕鬆地塗在棉布上，由於塗膠後的石墨烯片與棉布基體表面的官能團之間的相互作用。所製備的織物複合材料顯示出高機械穩定性，錨固性和高電導率，使其成為在相對大量的技術應用中的極佳候選材料。
本研究主要探討經雷射後處理之棉織物複合材料作為平面加熱元件或電子紡織電路之潛力。利用雷射束，可以實現石墨烯導電線的局部石墨化或局部刻蝕，形成具有不同電阻的導電區域，可以作為柔性集成電路。除了輕質導電電路外，石墨烯塗層棉織物還可用於其他技術應用，即作為柔性無金屬標記物或紅外屏蔽物，或用作保護敏感設備或防止火焰蔓延的不燃屏障。這項技術使人們能夠開闢一條新的途徑，以開發日常生活中連接的、具有低碳足跡影響的附加值靈活的電子紡織設備。


圖文導讀

圖1. EG剝離的過程示意圖


圖2.代表性的SEM顯微照片


圖3.（A）表面電阻率和（B）電導率與塗層周期，FLG載荷和熱處理溫度的關係。

（C）由FLG @棉布（13 cm×13 cm）組成的用於熱性能測量的設備的數碼照片：T，用於記錄溫度的平面熱電偶；E，銅電極；FLG @ CC ，在200°C的溫度下處理1小時後，用4 wt％的FLG塗覆的棉布。

（D）響應表面溫度隨施加電壓的變化。（E）所產生的比功率是所施加電壓的函數。


圖4.（A）具有一系列未塗覆的平行條的FLG /樹脂/ CC織物的數碼照片，（B）由頂部的FLG /樹脂/ CC織物和未塗覆的CC織物組成的組件的數碼照片，在20 V的施加電壓下，它起著掩膜的作用，並且標記的（C，D）對應的熱圖像是加熱持續時間的函數。為清晰起見，在方框中標記了未塗層區域。


圖5.（A）未塗層和FLG塗層手套

（B）FLIR圖像，然後在80°C熱處理15分鐘。實驗在26°C的環境溫度下進行。可以在帶有FLG塗層的手套上清楚地看到熱輻射，該手套顯示橙色的熱色（左），而不是未塗層的亮黃色（右）。

（C）FLG @ glove的FLIR圖像

（D）在熱輻射方面幾乎相差4°C的未塗層手套。


圖6.（A）原始FLG /棉複合材料，平均表面電阻為50±5Ω。

（B）具有三個正方形區域的相同FLG /棉複合材料，通過雷射燒蝕蝕刻後，與未處理區域相比，電阻值無窮大。

（C）在經過不同時間的雷射圖案化和石墨化處理後，在FLG @ CC 上產生的具有降低電阻的不同連接器的數碼照片。

（D）圖案化和局部石墨化後，同一FLG @ CC的數碼照片，用於以較高的橫向解析度修改不同區域的電阻。


圖7.（A）與直接火焰接觸的不同材料的燃燒行為的數碼照片。CC：未經處理的原始棉布；CC-400°C-Ar：在氬氣流下於400°C熱處理1h後的棉布；FLG @ CC-400 °C-Ar：棉布在氬氣下於400°C熱處理1 h，然後在FLG水溶液中兩次浸塗浸漬，並在每次乾燥後於150°C烘乾30分鐘浸漬。

（B）FLG @ CC-400 °C-Ar 的易燃性示例與釘在旁邊的原始未塗層棉布相比，後者易燃，在接觸火焰後可穩定燃燒幾秒鐘。


小結

合成了具有高穩定性和導電率可調的FLG裝飾棉織物作為柔性表面加熱器的柔性複合材料。該複合材料在加熱和關機過程中表現出很高的熱響應和穩定性，證實了其在電子紡織品領域具有很高的應用潛力。FLG優異的電學和熱學特性以及高糾纏度，即使在低輸入功率（小的外加電壓）下也能提供快速響應、穩定性和高表面溫度。合成的複合材料還可以有效地用作民用和軍用固定或移動源的無金屬熱標記。在單面塗有不同電阻值和連接度的完整柔性電子電路FLG@棉花布料採用雷射刻印和局部石墨化處理，不會損壞下方的棉布基材。低成本生產和觀察到的高性能使法蘭@CC與市場上使用銀或金屬納米粒子的織物相比，織物複合材料具有競爭力。

結果表明，在棉布上塗覆薄層FLG是一種低成本、低電壓、高彈性、高彈性的加熱器。這些複合材料可進一步應用於其他領域，如輕質/高性能無金屬紅外反射器，以減少紅外輻射對周圍環境的熱損失。最後，在經過熱處理的棉布上塗上石墨烯層，即使在與火焰長時間接觸後，也能有效地防止複合材料的燃燒，這使得這種複合材料非常有興趣用作防火屏障，以保護敏感結構或人員免受火焰傳播的傷害。目前正在研究將這種複合材料用作雙表面材料，即塗有石墨烯層的親水性棉纖維作為吸熱材料，用於海水淡化過程，或作為具有高度粗糙表面和長期穩定性的石墨烯塗層聚合物纖維，用作電過濾器，具有高熱開/關觸發系統，用於捕捉和滅活生物，如病毒或細菌。


文獻：

Cotton Fabrics Coated with Few-Layer Graphene as Highly Responsive Surface Heaters and Integrated Lightweight Electronic-Textile Circuits

Housseinou Ba*, Lai Truong-Phuoc, Vasiliki Papaefthimiou, Christophe Sutter, Sergey Pronkin, Armel Bahouka, Yannick Lafue, Lam Nguyen-Dinh, Giuliano Giambastiani*, and Cuong Pham-Huu*

Cite this: ACS Appl. Nano Mater. 2020, XXXX, XXX, XXX-XXX

Publication Date:August 31, 2020

https://doi.org/10.1021/acsanm.0c01861

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