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江南大學(xué)王平教授、新加坡國(guó)立大學(xué)Chaobin He教授 AFM:絲印電活性凝膠油墨制備及其防護(hù)紡織品應(yīng)用
2024-04-22  來(lái)源:高分子科技

  與其它2D材料相比,MXene具有高導(dǎo)電性和優(yōu)異的水分散性,可直接用于制備水性導(dǎo)電介質(zhì),實(shí)現(xiàn)柔性可穿戴紡織品的可擴(kuò)展制造。為了滿足不同場(chǎng)景下印刷介質(zhì)流變性的要求,通常需要制備高濃度的MXene配制油墨,但高濃度MXene的濃縮不僅過(guò)程復(fù)雜,還易引發(fā)納米片重新堆積等問(wèn)題,阻礙了其在多功能紡織品加工中的應(yīng)用。采用非導(dǎo)電添加劑(增稠劑和粘合劑等)與MXene分散液混合,是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電油墨流變特性有效調(diào)控的常用策略。然而,油墨中引入非導(dǎo)電介質(zhì)會(huì)堵塞基底表面的部分導(dǎo)電通路,對(duì)導(dǎo)電紡織品的應(yīng)用性能產(chǎn)生不利影響。因此,需要選用合適的方式來(lái)調(diào)節(jié)MXene基油墨的流變行為,實(shí)現(xiàn)在不影響油墨高導(dǎo)電性的前提下,滿足導(dǎo)電紡織品的涂層整理或印刷加工要求,這對(duì)構(gòu)建MXene基個(gè)人防護(hù)可穿戴紡織品具有積極意義。



  為了解決這一問(wèn)題,江南大學(xué)王平教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合新加坡國(guó)立大學(xué)Chaobin He教授團(tuán)隊(duì)借助于導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS配制MXene凝膠油墨,在提升電活性介質(zhì)利用率的同時(shí),實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電涂層紡織品可擴(kuò)展、大面積的制造。通過(guò)改變PEDOT:PSS摻雜量可靈活調(diào)控油墨粘度值在1-104 Pa·s之間印刷導(dǎo)電涂層輪廓清晰,電活性介質(zhì)利用率近100%,電導(dǎo)率高達(dá)109.6 S/m。印刷紡織品展現(xiàn)出優(yōu)異的多功能防護(hù)性能,在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中表現(xiàn)出極大的潛力。該研究以“Polymer-Regulating MXene@Dopamine Electroactive Gel-Inks for Textile-Based Multi-Protective Wearables”為題發(fā)表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。博士研究生閆彪彪為論文第一作者,江南大學(xué)王平教授和新加坡國(guó)立大學(xué)Chaobin He教授為共同通訊作者。 


【凝膠油墨成型機(jī)制】


  首先探究了電活性凝膠油墨(MDP)的成型機(jī)制及PEDOT:PSS摻雜比例對(duì)油墨流變性的影響。多巴胺對(duì)MXene進(jìn)行改性并引入摻雜劑PEDOT:PSS后,MXene納米片的層間距增加,表明多巴胺的表面粘附和聚合物鏈的插入可有效避免MXene納米片之間嚴(yán)重的自堆疊。在MXene納米片誘導(dǎo)下,PEDOT:PSS內(nèi)部發(fā)生相分離,高分子鏈從盤繞態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎浘圈態(tài)或線性態(tài),促進(jìn)了PEDOT鏈聚集,改善了MDP凝膠油墨的電子傳輸路徑,滿足了高導(dǎo)電的印刷/涂層加工的技術(shù)需求。 


1. 凝膠油墨絲網(wǎng)印刷紡織品及MXene/PEDOT:PSS相互作用示意圖


2. 凝膠油墨的配制與表征


【凝膠油墨流變性及網(wǎng)印紡織品】


  其次,考察了MDP凝膠油墨的流變性、絲網(wǎng)印刷紡織品的導(dǎo)電性、導(dǎo)電能力穩(wěn)定性及服用性能。MDP表現(xiàn)出剪切稀化和非牛頓流體特性,表觀粘度值隨剪切速率的增加而逐漸降低,這歸因于納米片在剪切作用下的有序排列及片層之間的部分分離,而粘度的大幅增加與納米片豐富的表面端基與PEDOT:PSS極性基團(tuán)之間形成電荷偶極相互作用相關(guān)。流變性可調(diào)的MXene油墨可以通過(guò)多種印刷/涂層方式,制備柔性導(dǎo)電紡織品。采用MXene導(dǎo)電油墨印刷的織物表面具有精確的輪廓,油墨能均勻地涂覆組裝在紡織品表面,提升了電活性介質(zhì)的利用率。印刷紡織品在長(zhǎng)期彎折循環(huán)及儲(chǔ)存下均具有穩(wěn)定的導(dǎo)電能力,兼?zhèn)淞己玫纳锵嗳菪浴?yōu)異的透氣和透濕性能。 


3. 油墨的流變性及導(dǎo)電涂層紡織品可擴(kuò)展制備


 4. 凝膠油墨印刷紡織品的導(dǎo)電性及可穿性


【凝膠油墨網(wǎng)印紡織品多功能防護(hù)性能】


  評(píng)估了凝膠油墨印刷紡織品在EMI屏蔽,紅外(IR)熱偽裝及多模式個(gè)人熱管理領(lǐng)域的具體應(yīng)用。X波段內(nèi),印刷紡織品EMI SET平均值超過(guò)23 dB,可屏蔽99%以上的輻射波折疊4層時(shí)相應(yīng)的EMI SET值接近35 dB,可屏蔽99.9%以上的輻射波。紡織品經(jīng)過(guò)1200彎折循環(huán)后,EMI SET的值仍超過(guò)20 dB;常溫存放60天后,仍保留83.3%EMI SET。在中紅外波段范圍內(nèi),印刷紡織品的平均發(fā)射率為0.328遠(yuǎn)低于原始織物,有望在可穿戴熱偽裝領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。此外,采用上述油墨印刷的紡織品可靈活切換被動(dòng)低輻射加熱和主動(dòng)太陽(yáng)能/焦耳加熱模式,為人體提供持續(xù)的溫暖,在未來(lái)個(gè)人精密熱管理領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。 


5. EMI屏蔽性能


圖6. IR熱偽裝性能


7. 個(gè)人熱管理性能


  總結(jié):使用導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS為摻雜劑,可有效調(diào)控MXene分散液的流變性,獲得具有目標(biāo)粘度和彈性的凝膠油墨,結(jié)合絲網(wǎng)印刷技術(shù)能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電紡織品的制備。通過(guò)改變PEDOT:PSS的摻雜量,可靈活調(diào)控MXene基油墨的粘度值,紡織品表面印刷涂層輪廓清晰,涂覆均勻,提升了MXene基電活性介質(zhì)的利用率。制備的紡織品具有穩(wěn)定的導(dǎo)電性、優(yōu)異的EMI屏蔽、IR熱偽裝性能,能在多模式下實(shí)現(xiàn)精密熱管理,同時(shí)保持原有紡織品優(yōu)良的服用性能,在個(gè)人多功能防護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。


  論文全文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202401097

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