纺织品具有良好的拉伸性能,可以适应人体的生理活动,以织物为基材的传感器对温度、压力和湿度等外界物理化学刺激敏感,具有高耐久性,已成为可穿戴技术发展的必然趋势。随着织物与导电材料的发展以及数据收集处理技术的不断提高,以导电织物为感应材料的智能可穿戴传感器在人体健康监测方面展现出了较为明显的优势,尤其是它所具备的导电性使之成为智能可穿戴传感器的常用材料。
导电织物主要有金属基导电织物、碳基导电织物和聚合物基导电织物3种,是通过不同的手段和处理技术将导电材料(金属基材料、碳基材料和导电聚合物)附着在织物表面或内部而成。
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金属基导电织物
金属基导电织物的制备手段有溅射技术和印刷打印技术。
溅射技术将金属薄膜沉积在纤维的表面,薄膜均匀并且和织物结合牢固,导电性能优异。织物在经过磁控溅射银处理后,其导电性是聚合物基导电织物的15倍以上。
印刷打印使大批量金属基导电织物的生产成为可能,传统的丝网印刷简便高效,可以自由设计导电图案。
丝网印刷
转移印花技术可以在织物表面印制透明的银纳米线层,得到不完全覆盖表面的导电网状结构,在具备良好导电性的基础上,织物更加美观。
转移印花
喷墨印刷是单一步骤的自动化制造过程,其使用的油墨比丝网印刷少得多,可以在选定的图案区域沉积一层薄薄的导电层,在纤维表面形成导电网络。
喷墨印花
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碳基导电织物
碳基导电织物制备过程中所用导电材料主要有碳纳米管(CNTs)和还原氧化石墨烯(RGO),两种材料的导电性能都来自大范围的离域大π键。
CNTs可以看成是弯曲成圆柱形的石墨烯薄片,它既可以是单壁碳纳米管(SWNTs),也可以是多壁碳纳米管(MWNTs),是一种制备织物基传感器的理想导电材料。CNTs导电织物的制备可以通过涂覆法,将CNTs涂覆在织物的表面,在织物表面形成导电网络;也可以利用纺丝法,制备CNTs与热塑性纤维的复合材料。
以RGO作为导电物质制备的导电织物不仅导电性好,还具有良好的机械性能,可以跟踪各类型的人体运动。氧化石墨烯(GO)还原成RGO的方法主要有化学还原和热还原法。
化学还原是将织物基材充分浸渍在GO的水溶液中,在干燥之后,通过还原剂使织物上的GO还原成RGO。
化学还原法
热还原的方式需要先对织物进行预处理,从而使GO涂层附着在表面,之后进行热压还原,得到RGO,这种方法避免了化学还原剂的使用。
热还原法
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聚合物基导电织物
导电高聚物通常都具有离域π键结构,由化学或电化学掺杂使单体聚合。相比其他类别的导电材料,导电聚合物在各个领域中具有更加广阔的应用前景,这是由于其电导率可以根据不同的掺杂效果分布在各导电区间(金属导体、半导体、绝缘体),这种特性是现今其他导电材料所不具备的。传统的导电聚合物有聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)、聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)。3种聚合物基导电织物的性能如下表所示。
原文始发于微信公众号(纺织导报):智能可穿戴纺织品——导电材料的制备