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

  與其它2D材料相比，MXene具有高導(dǎo)電性和優(yōu)異的水分散性，可直接用于制備水性導(dǎo)電介質(zhì)，實現(xiàn)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(zhì)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(fù)雜，還易引發(fā)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(yīng)用。采用非導(dǎo)電添加劑（增稠劑和粘合劑等）與MXene分散液混合，是實現(xiàn)導(dǎo)電油墨流變特性有效調(diào)控的常用策略。然而，油墨中引入非導(dǎo)電介質(zhì)會堵塞基底表面的部分導(dǎo)電通路，對導(dǎo)電紡織品的應(yīng)用性能產(chǎn)生不利影響。因此，需要選用合適的方式來調(diào)節(jié)MXene基油墨的流變行為，實現(xiàn)在不影響油墨高導(dǎo)電性的前提下，滿足導(dǎo)電紡織品的涂層整理或印刷加工要求，這對構(gòu)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(xué)王平教授團隊聯(lián)合新加坡國立大學(xué)Chaobin He教授團隊，借助于導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS配制MXene基凝膠油墨，在提升電活性介質(zhì)利用率的同時，實現(xiàn)高導(dǎo)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(diào)控油墨粘度值在1-104 Pa·s之間；印刷導(dǎo)電涂層輪廓清晰，電活性介質(zhì)利用率近100%，電導(dǎo)率高達109.6 S/m。印刷紡織品展現(xiàn)出優(yōu)異的多功能防護性能，在實際工業(yè)應(yīng)用中表現(xiàn)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(fā)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(xué)王平教授和新加坡國立大學(xué)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。多巴胺對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(yán)重的自堆疊。在MXene納米片誘導(dǎo)下，PEDOT:PSS內(nèi)部發(fā)生相分離，高分子鏈從盤繞態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎浘圈態(tài)或線性態(tài)，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(dǎo)電的印刷/涂層加工的技術(shù)需求。 


圖1. 凝膠油墨絲網(wǎng)印刷紡織品及MXene/PEDOT:PSS相互作用示意圖


圖2. 凝膠油墨的配制與表征


【凝膠油墨流變性及網(wǎng)印紡織品】


  其次，考察了MDP凝膠油墨的流變性、絲網(wǎng)印刷紡織品的導(dǎo)電性、導(dǎo)電能力穩(wěn)定性及服用性能。MDP表現(xiàn)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(guān)。流變性可調(diào)的MXene油墨可以通過多種印刷/涂層方式，制備柔性導(dǎo)電紡織品。采用MXene導(dǎo)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(zhì)的利用率。印刷紡織品在長期彎折循環(huán)及儲存下均具有穩(wěn)定的導(dǎo)電能力，兼?zhèn)淞己玫纳锵嗳菪、?yōu)異的透氣和透濕性能。 


圖3. 油墨的流變性及導(dǎo)電涂層紡織品可擴展制備


 圖4. 凝膠油墨印刷紡織品的導(dǎo)電性及可穿性


【凝膠油墨網(wǎng)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(lǐng)域的具體應(yīng)用。在X波段內(nèi)，印刷紡織品的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(yīng)的EMI SET值接近35 dB，可屏蔽99.9%以上的輻射波。紡織品經(jīng)過1200次彎折循環(huán)后，EMI SET的值仍超過20 dB；常溫存放60天后，仍保留83.3%的EMI SET。在中紅外波段范圍內(nèi)，印刷紡織品的平均發(fā)射率為0.328，遠低于原始織物，有望在可穿戴熱偽裝領(lǐng)域發(fā)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(xù)的溫暖，在未來個人精密熱管理領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。 


圖5. EMI屏蔽性能


圖6. IR熱偽裝性能


圖7. 個人熱管理性能


  總結(jié)：使用導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS為摻雜劑，可有效調(diào)控MXene分散液的流變性，獲得具有目標(biāo)粘度和彈性的凝膠油墨，結(jié)合絲網(wǎng)印刷技術(shù)能實現(xiàn)導(dǎo)電紡織品的制備。通過改變PEDOT:PSS的摻雜量，可靈活調(diào)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(zhì)的利用率。制備的紡織品具有穩(wěn)定的導(dǎo)電性、優(yōu)異的EMI屏蔽、IR熱偽裝性能，能在多模式下實現(xiàn)精密熱管理，同時保持原有紡織品優(yōu)良的服用性能，在個人多功能防護領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。


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

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