兰州大学《CEJ》：双壳界面结构化石墨烯-棉纱复合材料，用于智能可穿戴设备

1成果简介 

由于在个性化热疗、人体健康监测和人体互动传感方面的潜在应用，基于纺织品的柔性可穿戴电子设备的发展受到越来越多的关注。棉纱是一种廉价的、广泛使用的材料，适合于上述应用。然而，使用商业棉纱会出现电绝缘和拉伸性能方面的问题。将原始棉纱功能化并同时改善其导电性和机械性能仍然是一个挑战。本文，兰州大学 拜永孝教授研究组在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Developing a highly-conductive and strength cotton yarn through dual shell architecture of graphene for smart wearable devices”的论文，研究通过界面调制策略设计了具有双壳界面结构的石墨烯-棉纱线。阳离子水性聚氨酯被引入到功能化界面中，发挥了界面连接分子的作用。

内壳（还原氧化石墨烯，rGO）对改性棉纱基材表现出静电吸引力，而外壳（石墨烯）产生了一个连续有效的导电网络。由此产生的石墨烯-棉纱表现出5.50×103S m-1的高导电性。该导电纱线表现出194.36±19.82MPa的超强抗拉强度和32.66±1.13MJ m的韧性，分别比原始棉纱线高2.1倍和3.6倍。此外，我们已经证明了所设计的石墨烯棉纱线在原型纺织品应用中的能力，如个性化热疗、人体健康监测和盲文识别。这项研究拓展了电子纺织品在柔性可穿戴领域的应用前景。

2图文导读  

图 1.G/Cot、rGO/Cot和G/rGO/WPU/Cot纱线的制备过程示意图。

图2、材料形貌图

图3、对具有不同界面结构的Cot、G/Cot、rGO/Cot、G/CWPU/Cot、rGO/CWPU/Cot和G/rGO/WPU/Cot纱线的电导率和力学性能图示

图4.（a） G/rGO/CWPU/Cot纱线在不同电压下运行的时间-温度曲线。（b） G/rGO/CWPU/Cot纱线在不同施加电压下的响应时间。（c） 将G/rGO/CWPU/Cot纱线的施加电压、最大加热速率和最高温度与文献中的数据进行比较。（d） G/rGO/CWPU/CY纱线随外加电压增加的温度分布。在相应电压下拍摄的红外图像，包括（e）由G/rGO/CWPU/Cot纱线装饰在棉布上的“0、1、2、L、Z和U”装饰图案的数字照片和红外热图像

图5. G/rGO/CWPU/Cot纱线的电阻变化与（a）弯曲周期、（b）扭曲周期和（c）折叠周期的关系。插图显示了在3V电压下，不同周期的弯曲、扭曲和折叠的时间-温度曲线。(d) G/rGO/CWPU/Cot纱线在5V工作电压下的加热-冷却循环稳定性。(e) 在施加0V和1V的输入电压时，柔性可穿戴加热器的加热位置和红外图像概览（颈部、腰部、脚部、指关节、肘部和膝盖）。

图6.基于 G/rGO/CWPU/Cot 的压力传感器的压力传感特性

图7.G/rGO/CWPU/Cot 纱线传感器的实时相对电阻变化曲线

3小结 

综上所述，本工作通过界面调制策略合理设计了具有双壳界面结构的石墨烯-棉纱线。融合了石墨烯和GO的独特性能，所得石墨烯棉纱表现出优异的导电性和高拉伸强度。其显著性能归因于内壳的强氢键相互作用和改进的外壳导电通道。具有双壳界面结构的石墨烯-棉纱在人类健康管理和下一代可穿戴电子产品中具有巨大的应用潜力。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143912

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来源：文章来自CEJ网站，由材料分析与应用整理编辑。

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