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江南大學王平教授、新加坡國立大學Chaobin He教授 AFM:絲印電活性凝膠油墨制備及其防護紡織品應用
2024-04-22  來源:高分子科技

  與其它2D材料相比,MXene具有高導電性和優異的水分散性,可直接用于制備水性導電介質,實現柔性可穿戴紡織品的可擴展制造。為了滿足不同場景下印刷介質流變性的要求,通常需要制備高濃度的MXene配制油墨,但高濃度MXene的濃縮不僅過程復雜,還易引發納米片重新堆積等問題,阻礙了其在多功能紡織品加工中的應用。采用非導電添加劑(增稠劑和粘合劑等)與MXene分散液混合,是實現導電油墨流變特性有效調控的常用策略。然而,油墨中引入非導電介質會堵塞基底表面的部分導電通路,對導電紡織品的應用性能產生不利影響。因此,需要選用合適的方式來調節MXene基油墨的流變行為,實現在不影響油墨高導電性的前提下,滿足導電紡織品的涂層整理或印刷加工要求,這對構建MXene基個人防護可穿戴紡織品具有積極意義。



  為了解決這一問題,江南大學王平教授團隊聯合新加坡國立大學Chaobin He教授團隊借助于導電聚合物PEDOT:PSS配制MXene凝膠油墨,在提升電活性介質利用率的同時,實現高導電涂層紡織品可擴展、大面積的制造。通過改變PEDOT:PSS摻雜量可靈活調控油墨粘度值在1-104 Pa·s之間印刷導電涂層輪廓清晰,電活性介質利用率近100%,電導率高達109.6 S/m。印刷紡織品展現出優異的多功能防護性能,在實際工業應用中表現出極大的潛力。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,江南大學王平教授和新加坡國立大學Chaobin He教授為共同通訊作者。 


【凝膠油墨成型機制】


  首先探究了電活性凝膠油墨(MDP)的成型機制及PEDOT:PSS摻雜比例對油墨流變性的影響。多巴胺MXene進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納米片之間嚴重的自堆疊。在MXene納米片誘導下,PEDOT:PSS內部發生相分離,高分子鏈從盤繞態轉變為膨脹線圈態或線性態,促進了PEDOT鏈聚集,改善了MDP凝膠油墨的電子傳輸路徑,滿足了高導電的印刷/涂層加工的技術需求。 


1. 凝膠油墨絲網印刷紡織品及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印紡織品】


  其次,考察了MDP凝膠油墨的流變性、絲網印刷紡織品的導電性、導電能力穩定性及服用性能。MDP表現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極性基團之間形成電荷偶極相互作用相關。流變性可調的MXene油墨可以通過多種印刷/涂層方式,制備柔性導電紡織品。采用MXene導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,提升了電活性介質的利用率。印刷紡織品在長期彎折循環及儲存下均具有穩定的導電能力,兼備良好的生物相容性、優異的透氣和透濕性能。 


3. 油墨的流變性及導電涂層紡織品可擴展制備


 4. 凝膠油墨印刷紡織品的導電性及可穿性


【凝膠油墨網印紡織品多功能防護性能】


  評估了凝膠油墨印刷紡織品在EMI屏蔽,紅外(IR)熱偽裝及多模式個人熱管理領域的具體應用。X波段內,印刷紡織品EMI SET平均值超過23 dB,可屏蔽99%以上的輻射波折疊4層時相應的EMI SET值接近35 dB,可屏蔽99.9%以上的輻射波。紡織品經過1200彎折循環后,EMI SET的值仍超過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,印刷紡織品的平均發射率為0.328遠低于原始織物,有望在可穿戴熱偽裝領域發揮重要作用。此外,采用上述油墨印刷的紡織品可靈活切換被動低輻射加熱和主動太陽能/焦耳加熱模式,為人體提供持續的溫暖,在未來個人精密熱管理領域顯示出巨大的潛力。 


5. EMI屏蔽性能


圖6. IR熱偽裝性能


7. 個人熱管理性能


  總結:使用導電聚合物PEDOT:PSS為摻雜劑,可有效調控MXene分散液的流變性,獲得具有目標粘度和彈性的凝膠油墨,結合絲網印刷技術能實現導電紡織品的制備。通過改變PEDOT:PSS的摻雜量,可靈活調控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基電活性介質的利用率。制備的紡織品具有穩定的導電性、優異的EMI屏蔽、IR熱偽裝性能,能在多模式下實現精密熱管理,同時保持原有紡織品優良的服用性能,在個人多功能防護領域展現出廣闊的應用前景。


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

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