碳纳米管包覆的纺织纱线用于可穿戴电子纺织品

研究背景

可穿戴电子纺织品(e-textiles) 作为下一代智能设备是非常可取的，它结合了设备功能和人体兼容性。随着"物联网(IoT) "的飞速发展，可穿戴电子设备被要求结构紧凑、重量轻、价格便宜、功耗低，并在各种环境下耐用，以满足日常使用。在开发用于传感、储能装置、可穿戴加热器、电子皮肤、人造肌肉、和软机器人的多功能可穿戴电子装置方面已经取得了重大进展。这些可穿戴设备大多是由多个材料层堆叠而成的平面薄膜结构。基于薄膜的设备通常不透气，而且其固有的刚性限制了它们在符合人体的设备中的应用。

为此，利用各种导电纳米材料，如金属纳米颗粒/纳米线、石墨烯、碳纳米管(CNTs) 和导电聚合物，开发基于导电纤维/纱线的可穿戴电子设备的各种研究方法已经出现。CNT由于其高长径比、极低的密度、出色的灵活性、机械性能、电气性能和化学稳定性，被广泛用于制造可穿戴设备。此外，重要的是要克服它们在纺织品制造中的低弯曲性和耐磨性。在这种情况下，含有CNT纱线的混合/复合纺织纱线因其高灵活性、改善应变能力和低弹性模量而具有优势。

研究成果

碳纳米管(CNT) 纱线由于其出色的机电和热性能以及结构的灵活性，在可穿戴电子应用中很有前途。北卡罗来纳州立大学Philip D. Bradford教授团队定制了一个纺纱系统，用于生产可穿戴应用的CNT包裹的纺织纱线。通过调整纺纱参数和芯线，可以生产出高度定制的混合CNT纱线，用于纺织品加工，如针织和编织。纱线的电阻和机械性能受到芯线的影响。纱线的高柔韧性首次实现了CNT包裹的纱线的最先进的三维编织。利用三维针织技术，CNT包裹的纺织纱线被无缝地整合到一个腕带和手套的食指上。针织结构在应变下表现出很大的阻力变化，并精确地记录了手指和手腕不同运动下的信号。当针织品连接到电源时，在低电压下观察到快速加热超过皮肤温度。这项工作首次提出了一种新型的混合纱线，它能维持30次水洗循环而不出现性能下降。通过改变核心纱线，可以为可穿戴应用开发一个高度可拉伸的多模态传感系统。相关研究以“Multifunctional and Washable Carbon Nanotube-Wrapped Textile Yarns for Wearable E‑Textiles”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。

研究亮点

1. 报告了一种单步方法，将排列整齐的CNT片材包裹在核心纺织纱线上，最终形成大直径的混合纱线结构，并易于在成布机械上加工。

2. 第一次使用工业化的整机编织，将CNT包裹的纱线用于生产无缝的三维针织结构作为下一代的可穿戴电子纺织品。

图文导读

Figure 1. Dry spinning of CNT-wrapped textile yarns. Two vertically aligned multiwalled carbon nanotubes (VACNTs) are secured opposite each other on the rotating cylinder. A core yarn is passed through the inner tube of the cylinder. CNT sheets are wrapped over the core yarn and twisted around it. Thermoplastic polyurethane (TPU) binder is applied using a syringe pump, and the yarn is wound up on a roller.

Figure 2. Characterization and morphology of CNTY and CNT-wrapped textile yarns.

Figure 3. Electromechanical behavior of yarns.

Figure 4. Knitted structures for wearable body motion monitoring.

Figure 5. Knitted CNT garments for wearable Joule heating applications.

Figure 6. Wash durability of the yarns.

总结与展望

CNTs成功地组装成微尺度的纱线，并使用简单的、单一的、干式的纺纱方法包裹在传统纺织纱线上。所生产的纱线的直径可以通过改变芯线和致密化过程进行调整。微尺度的CNTY和CNT包裹的纺织纱线具有与纺织纱线相似的直径，并成功地编织成纺织结构而不影响美观和透气性。虽然少量的TPU粘合剂没有明显影响CNTY的导电性，但纱线的机械性能明显增加。CNTY和CNT包裹的纱线显示出优异的韧性和灵活性，可以编织成不同的纺织面料。无缝三维针织手套在多次弯曲-释放循环下表现出优异的压阻响应和可逆性。针织结构可以扩展到超过人类皮肤的最大延伸性。可穿戴的针织腕带在低电压下表现出快速的热加热行为，以及对宽应变百分比的出色热稳定性。该纱线在30次洗涤过程中表现出优异的耐洗性，而电阻没有明显变化。本研究中开发的多功能纺纱工艺显示了CNTs在多功能和可穿戴电子应用中的突出可能性。此外，该研究还扩大了在纺纱或织物转换过程中加入功能性纳米材料的范围，以进一步应用于可穿戴能源储存、电磁屏蔽和软机器人。

文献链接

Multifunctional and Washable Carbon Nanotube-Wrapped Textile Yarns for Wearable E‑Textiles

https://doi.org/10.1021/acsami.2c19826

转自：“i学术i科研”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！