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江南大学王平教授、新加坡国立大学Chaobin He教授 AFM:丝印电活性凝胶油墨制备及其防护纺织品应用
2024-04-22  来源:高分子科技

  与其它2D材料相比,MXene具有高导电性和优异的水分散性,可直接用于制备水性导电介质,实现柔性可穿戴纺织品的可扩展制造。为了满足不同场景下印刷介质流变性的要求,通常需要制备高浓度的MXene配制油墨,但高浓度MXene的浓缩不仅过程复杂,还易引发纳米片重新堆积等问题,阻碍了其在多功能纺织品加工中的应用。采用非导电添加剂(增稠剂和粘合剂等)与MXene分散液混合,是实现导电油墨流变特性有效调控的常用策略。然而,油墨中引入非导电介质会堵塞基底表面的部分导电通路,对导电纺织品的应用性能产生不利影响。因此,需要选用合适的方式来调节MXene基油墨的流变行为,实现在不影响油墨高导电性的前提下,满足导电纺织品的涂层整理或印刷加工要求,这对构建MXene基个人防护可穿戴纺织品具有积极意义。



  为了解决这一问题,江南大学王平教授团队联合新加坡国立大学Chaobin He教授团队借助于导电聚合物PEDOT:PSS配制MXene凝胶油墨,在提升电活性介质利用率的同时,实现高导电涂层纺织品可扩展、大面积的制造。通过改变PEDOT:PSS掺杂量可灵活调控油墨粘度值在1-104 Pa·s之间印刷导电涂层轮廓清晰,电活性介质利用率近100%,电导率高达109.6 S/m。印刷纺织品展现出优异的多功能防护性能,在实际工业应用中表现出极大的潜力。该研究以“Polymer-Regulating MXene@Dopamine Electroactive Gel-Inks for Textile-Based Multi-Protective Wearables”为题发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。博士研究生闫彪彪为论文第一作者,江南大学王平教授和新加坡国立大学Chaobin He教授为共同通讯作者。 


【凝胶油墨成型机制】


  首先探究了电活性凝胶油墨(MDP)的成型机制及PEDOT:PSS掺杂比例对油墨流变性的影响。多巴胺MXene进行改性并引入掺杂剂PEDOT:PSS后,MXene纳米片的层间距增加,表明多巴胺的表面粘附和聚合物链的插入可有效避免MXene纳米片之间严重的自堆叠。在MXene纳米片诱导下,PEDOT:PSS内部发生相分离,高分子链从盘绕态转变为膨胀线圈态或线性态,促进了PEDOT链聚集,改善了MDP凝胶油墨的电子传输路径,满足了高导电的印刷/涂层加工的技术需求。 


1. 凝胶油墨丝网印刷纺织品及MXene/PEDOT:PSS相互作用示意图


2. 凝胶油墨的配制与表征


【凝胶油墨流变性及网印纺织品】


  其次,考察了MDP凝胶油墨的流变性、丝网印刷纺织品的导电性、导电能力稳定性及服用性能。MDP表现出剪切稀化和非牛顿流体特性,表观粘度值随剪切速率的增加而逐渐降低,这归因于纳米片在剪切作用下的有序排列及片层之间的部分分离,而粘度的大幅增加与纳米片丰富的表面端基与PEDOT:PSS极性基团之间形成电荷偶极相互作用相关。流变性可调的MXene油墨可以通过多种印刷/涂层方式,制备柔性导电纺织品。采用MXene导电油墨印刷的织物表面具有精确的轮廓,油墨能均匀地涂覆组装在纺织品表面,提升了电活性介质的利用率。印刷纺织品在长期弯折循环及储存下均具有稳定的导电能力,兼备良好的生物相容性、优异的透气和透湿性能。 


3. 油墨的流变性及导电涂层纺织品可扩展制备


 4. 凝胶油墨印刷纺织品的导电性及可穿性


【凝胶油墨网印纺织品多功能防护性能】


  评估了凝胶油墨印刷纺织品在EMI屏蔽,红外(IR)热伪装及多模式个人热管理领域的具体应用。X波段内,印刷纺织品EMI SET平均值超过23 dB,可屏蔽99%以上的辐射波折叠4层时相应的EMI SET值接近35 dB,可屏蔽99.9%以上的辐射波。纺织品经过1200弯折循环后,EMI SET的值仍超过20 dB;常温存放60天后,仍保留83.3%EMI SET。在中红外波段范围内,印刷纺织品的平均发射率为0.328远低于原始织物,有望在可穿戴热伪装领域发挥重要作用。此外,采用上述油墨印刷的纺织品可灵活切换被动低辐射加热和主动太阳能/焦耳加热模式,为人体提供持续的温暖,在未来个人精密热管理领域显示出巨大的潜力。 


5. EMI屏蔽性能


图6. IR热伪装性能


7. 个人热管理性能


  总结:使用导电聚合物PEDOT:PSS为掺杂剂,可有效调控MXene分散液的流变性,获得具有目标粘度和弹性的凝胶油墨,结合丝网印刷技术能实现导电纺织品的制备。通过改变PEDOT:PSS的掺杂量,可灵活调控MXene基油墨的粘度值,纺织品表面印刷涂层轮廓清晰,涂覆均匀,提升了MXene基电活性介质的利用率。制备的纺织品具有稳定的导电性、优异的EMI屏蔽、IR热伪装性能,能在多模式下实现精密热管理,同时保持原有纺织品优良的服用性能,在个人多功能防护领域展现出广阔的应用前景。


  论文全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202401097

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(责任编辑:xu)
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