Nazmul Karim

† National Graphene Institute (NGI), Universitatea din Manchester, Booth Street East, Manchester M13 9PL, Regatul Unit

Shaila Afroj

† National Graphene Institute (NGI), Universitatea din Manchester, Booth Street East, Manchester M13 9PL, Regatul Unit

‡ Școala de fizică și astronomie, Universitatea din Manchester, Oxford Road, Manchester M13 9PL, Regatul Unit

Sirui Tan

§ Școala de materiale, Universitatea din Manchester, Oxford Road, Manchester M13 9PL, Regatul Unit

Pei He

§ Școala de materiale, Universitatea din Manchester, Oxford Road, Manchester M13 9PL, Regatul Unit

Anura Fernando

§ Școala de materiale, Universitatea din Manchester, Oxford Road, Manchester M13 9PL, Regatul Unit

Chris Carr

∥ Școala de Design, Universitatea din Leeds, Leeds LS2 9JT, Regatul Unit

Kostya S. Novoselov

† National Graphene Institute (NGI), Universitatea din Manchester, Booth Street East, Manchester M13 9PL, Regatul Unit

‡ Școala de fizică și astronomie, Universitatea din Manchester, Oxford Road, Manchester M13 9PL, Regatul Unit

Date asociate

Abstract

e-textile

E-textilele purtabile pe bază de grafen sunt considerate promițătoare datorită avantajelor lor față de tehnologia tradițională pe bază de metal. Cu toate acestea, procesul de fabricație este complex și în prezent nu este potrivit pentru aplicații la scară industrială. Aici raportăm o metodă simplă, scalabilă și rentabilă de a produce e-textile purtabile pe bază de grafen prin reducerea chimică a oxidului de grafen (GO) pentru a face o dispersie stabilă redusă de oxid de grafen (rGO), care poate fi apoi aplicată materialului textil țesătură folosind o tehnică simplă de tamponare. Această metodă de aplicare permite fabricarea potențială a e-textilelor grafene conductive la viteze de producție comerciale de ± 150 m/min. Materialele e-textile din grafen produse sunt durabile și lavabile, cu o moliciune/o simțire a mâinii acceptabile. Stratul de acoperire rGO a îmbunătățit rezistența la tracțiune a țesăturii de bumbac și, de asemenea, flexibilitatea datorată creșterii% a tensiunii la sarcina maximă. Demonstrăm aplicarea potențială a acestor e-textile grafen pentru electronice purtabile cu senzor de monitorizare a activității. Acest lucru ar putea duce la o îmbrăcăminte multifuncțională e-textilă cu grafen unic, care poate acționa atât ca senzori, cât și ca elemente de încălzire flexibile alimentate de energia stocată în supercondensatoarele textile din grafen.

E-textilele portabile multifuncționale devin din ce în ce mai populare, deoarece o astfel de tehnologie face viața mai sigură, mai sănătoasă și mai confortabilă. 1 Această tehnologie permite producerea de articole de îmbrăcăminte e-textile extrem de inovatoare și inteligente care pot funcționa în același timp ca senzor, actuator, generator de energie și dispozitiv de stocare a energiei. 2 Piața pentru astfel de e-textile a crescut rapid și se estimează că va crește până la 5 miliarde USD până în 2027 prin integrarea electronice ușoare și flexibile în articolele de îmbrăcăminte de zi cu zi. 3 Cu toate acestea, provocarea pentru atingerea acestui obiectiv se află în cadrul procesului de fabricație complex și care necesită mult timp e-textile și utilizarea materialelor conductoare metalice scumpe, 4 toxice, 5 și nebiodegradabile, 6 nu foarte stabile, cum ar fi argintul (Ag) și cupru (Cu).

Grafenul a deschis o gamă largă de aplicații electronice flexibile datorită proprietăților sale remarcabile de performanță electrică, mecanică și de altă natură. 7−9 Proprietățile unice ale grafenului sunt în mare parte asociate cu foile individuale. 7 Prin urmare, este important pentru aplicațiile industriale ca cantitățile în masă de grafen să poată fi produse într-o formă procesabilă care nu se aglomerează. Cu toate acestea, foile de grafen, cu excepția cazului în care sunt bine separate unele de altele, au tendința de a se aglomera și chiar de a relansa pentru a forma grafit prin interacțiunile van der Waals. 10 Traseul oxidului de grafit este în prezent cea mai populară metodă chimică umedă pentru producerea unor cantități scalabile de materiale grafene, cum ar fi oxidul de grafen (GO) 11 și oxidul de grafen redus (rGO). 12 Acest lucru se datorează randamentului său mai mare, stabilității coloidale bune și dispersabilității excelente în diferiți solvenți. 13−15

Materialele pe bază de grafen, cum ar fi GO și rGO, și-au dat deja o mare promisiune prin faptul că au fost fabricate în e-textile purtabile ecologice. 16−21 Prezența sarcinii negative în GO nu numai că ajută la formarea dispersiilor stabile 14, dar permite și interacțiunea acestora cu grupurile funcționale ale fibrelor/țesăturilor. 20,22 Astfel, asigură o fixare mai bună cu țesăturile textile și produce e-textile purtabile flexibile, lavabile și durabile. Au fost folosite mai multe tehnici pentru acoperirea textilelor cu materiale grafenice, cum ar fi acoperirea prin imersie, 23 filtrare sub vid, 24 acoperire cu perie, 25 depunere electrochimică directă, 26 electroforeză, 27 metodă de captare cinetică, 28 transfer umed de monostrat, 29 sau serigrafie. 30 Totuși, acestea sunt procese de fabricație care necesită mult timp și sunt în mai multe etape; nu este potrivit pentru producția pe scară largă. Prin urmare, este nevoie de un proces redus, continuu și scalabil pentru fabricarea de e-textile purtabile comerciale.

Aici raportăm o metodă simplă, scalabilă și eficientă din punct de vedere al costurilor de a produce e-textile pe bază de grafen. Spre deosebire de abordările anterioare, reducem GO în soluție, îl funcționalizăm chimic și folosim rGO-ul funcționalizat rezultat pentru acoperirea textilelor. Așa cum se ilustrează în Figura Figura 1, folosim mai întâi o metodă Hummers modificată pentru a sintetiza GO și apoi pentru a reduce chimic acest lucru in situ folosind Na2S2O4, un agent de reducere eficient și disponibil comercial pentru materialele textile. În timpul reducerii chimice in situ a GO, încorporăm, de asemenea, poli (stirensulfonat) (PSS) pentru a funcționaliza suprafața rGO pentru a forma o dispersie stabilă. Folosim această dispersie rGO pentru a acoperi țesăturile textile utilizând un proces simplu și continuu de uscare a tamponului și demonstrăm, de asemenea, aplicarea acestor e-textile grafene prin intermediul senzorului de monitorizare a activității asociat.

Diagrama schematică a producției scalabile de e-textile purtabile pe bază de grafen. Ilustrație de Daniel Wand și utilizată cu permisiunea artistului.