激光打印技術(shù)可以在幾分鐘內(nèi)生產(chǎn)防水可拉伸電子紡織品

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：澳大利亞墨爾本皇家理工大學的科學家們開發(fā)了一種經(jīng)濟高效、可擴展的方法，用于快速制造嵌入紡織品的儲能裝置。下一代防水智能織物將在幾分鐘內(nèi)進行激光印刷和制作。這是研究人員在新型電子紡織技術(shù)背后所想象的未來。

電子紡織品/智能服裝是可穿戴技術(shù)的一個分支，由于其巨大的潛力，例如將電子設備、能量存儲和天線與紡織品結(jié)合在一起，因此備受關(guān)注。該技術(shù)能夠使無線通信、健康感應及監(jiān)控和可以在智能城市、偏遠地區(qū)、電信和生物醫(yī)學行業(yè)中找到應用的發(fā)光器件適用于自足式下一代可穿戴設備。

這些自供電技術(shù)的實現(xiàn)需要太陽能電池或壓電發(fā)電機等能量收集器的支持。但是這些能量收集器的不可持續(xù)性要求這些儲能器具有成本效益、經(jīng)久耐用、高性能、具有柔韌性和可拉伸性的機械強度、無毒且不易爆的特點。目前，繁瑣的紐扣電池及袋式鋰離子電池通過膠合、縫合在衣服上被使用作儲能器。用于電子紡織的另一種常見的能量存儲是基于向大型制造能力擴展的纖維或紗線，將電極、隔離物和電解質(zhì)合并到單根纖維中。然而，此類的低表面積可能導致能量存儲能力低，這導致需要組裝大束纖維以實現(xiàn)支撐電子紡織所需的能量存儲。

樣品電路印在織物上。圖片來源：Felice Torrisi

RMIT科學學院的研究員Litty Thekkakara博士也表示，具有內(nèi)置傳感、無線通信或健康監(jiān)測技術(shù)的智能紡織品需要強大而可靠的能源解決方案。目前的智能紡織品能量存儲方法，例如將電池縫在衣服上或使用電子纖維，可能既麻煩又沉重，并且還存在容量問題。

皇家墨爾本理工大學Litty Thekkakara博士

印刷儲能器可用于替代可集成儲能器，因為其重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，為可穿戴技術(shù)提供了動力。用于能量存儲電極制造的主要方法包括絲網(wǎng)印刷和噴墨印刷。但是這些方法增加了制造中的額外步驟和時間，機械強度低，并導致了額外成本，這可能對大規(guī)模生產(chǎn)儲能集成電子紡織品產(chǎn)生負面影響。

另一方面，使用最佳輻照條件的激光印刷是一種適用于納米到大型結(jié)構(gòu)的單步光學平版印刷制造方法。使用低維材料（如活性炭和石墨烯）作為這些能量存儲的電極材料，以及合適的電解質(zhì)，可以解決電子紡織品的能量存儲相關(guān)問題。根據(jù)已有的研究成果顯示，高達150％的可伸縮激光印刷石墨烯超級電容器對可穿戴技術(shù)來說是有望達成的，而可穿戴技術(shù)又依賴于氧化石墨烯(GOs)的自愈特性。

在該研究中，研究人員演示了在3分鐘制造時間內(nèi)，大型防水可拉伸紡織品結(jié)合激光打印石墨烯儲能在尺寸為100 cm2紡織品內(nèi)，該儲能器屬于超級電容器類別，并將這些超級電容器的研究擴展到紡織品集成太陽能存儲。

這項新技術(shù)可以在3分鐘內(nèi)生產(chǎn)出10x10厘米的智能紡織品貼片。 圖片來源：皇家墨爾本理工大學

下圖給出了形成防水激光打印石墨烯儲能器的整個過程的示意圖，該過程擴展到石墨烯太陽能儲能器的形成。在初始階段，將由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的彈性體溶液涂覆在織物的一側(cè)，以實現(xiàn)尼龍織物的防水性能，然后待其干燥（方法）。這些織物的另一面涂有氧化石墨烯（GO；graphene oxide）/啞光粘合劑溶液，以形成厚度為3μm的薄膜。粘合劑介質(zhì)的存在為GOs提供了防水性能。

大型防水激光印刷石墨烯太陽能存儲器的制造步驟示意圖

此外，考慮到避免對下層織物的損害，使用從連續(xù)波(CW)到飛秒(fs)脈沖變化的不同類型的激光束來進行減少織物上涂覆的氧化鎵/無光澤薄膜的試驗，以獲得能量存儲電極的均勻電導率和孔隙率條件，因為這兩個因素在能量存儲電容的形成中是必不可少的。

激光印刷石墨烯超級電容器。

圖解：激光打印的石墨烯分形電極在6 W（Scale-2.5 cm）的激光束功率下獲得的100cm2區(qū)域的照片圖像。重點介紹：涂有厚度為10μm的激光打印石墨烯薄膜的織物的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，以及由于去除水分而導致GO薄膜的光熱還原而暴露的激光打印石墨烯。

當這些電子元件與汗水或環(huán)境中的水分接觸時，也會遭受短路和機械故障。研究人員開發(fā)的基于石墨烯的超級電容器不僅可以完全清洗，而且可以存儲為智能服裝供電所需的能量，而且可以在數(shù)分鐘內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)。該研究還分析了概念驗證型智能紡織品在各種機械，溫度和耐洗性測試中的性能，發(fā)現(xiàn)其保持穩(wěn)定和高效。

該技術(shù)使石墨烯超級電容器（功能強大且持久的能量存儲設備，可以輕松地與太陽能或其他電源結(jié)合使用）可以直接激光印刷到紡織品上。在概念驗證中，研究人員將超級電容器與太陽能電池相連，從而提供了一種高效、可清洗和自供電的智能織物，該織物克服了現(xiàn)有電子紡織儲能技術(shù)的關(guān)鍵缺點。

上海理工大學RMIT名譽教授兼杰出教授Min Gu表示，該技術(shù)可以實現(xiàn)電子紡織品可再生能源的實時存儲。通過解決電子紡織品與儲能相關(guān)的挑戰(zhàn)，我們希望為下一代可穿戴技術(shù)和智能服裝提供動力。

最后，不斷發(fā)展的智能面料行業(yè)在可穿戴設備中為消費者、醫(yī)療保健和國防部門提供了多種應用，從監(jiān)控患者的生命體征到跟蹤野外士兵的位置和健康狀況，以及飛行員、駕駛員疲勞程度監(jiān)測。

本文來源：DOI: 10.1038/s41598-019-48320-z