用于可穿戴纺织传感器的工程石墨烯薄片 https://t.cn/EIu8pvc
1穿戴电子纺织品介绍
多功能可穿戴电子纺织品因其在医疗保健，运动服装，健身，太空和军事应用方面的巨大潜力而成为备受关注的焦点。其中，导电纺织纱线显示出用作下一代柔性传感器的巨大希望，同时又不损害普通纺织品的性能和舒适性。然而，目前金属基导电纺织纱线的制造过程昂贵，不可扩展且对环境不利。在这里，我们报告了一种高度可扩展和超快速生产的基于石墨烯的柔性，可清洗和可弯曲的可穿戴纺织品传感器。我们设计石墨烯薄片及其分散体，以便为可穿戴纺织品应用选择最佳配方。然后，我们使用高速纱线染色技术用石墨烯基油墨染色（涂覆）纺织纱线。通过自供电RFID或低功耗蓝牙。这样生产的石墨烯纺织品传感器显示出优异的温度敏感性，非常好的可洗性和极高的柔韧性。这种工艺可以在高速工业设备中扩大规模，以生产用于下一代可穿戴电子应用的吨（~1000 kg / h）导电纺织纱线。
一种高度可扩展和超快速的纱线染色技术，用于生产rGO涂层纺织纱线，并将这些纱线用作柔性纺织品传感器。首先，使用快速且环保的方法合成一系列石墨烯材料，例如还原的石墨烯氧化物和石墨烯薄片（G）。为了观察温度敏感性，测试了各个rGO薄片，重叠rGO薄片，滴铸rGO薄膜和自支撑rGO涂覆纱线的电阻的温度依赖性。此外，通过生产一批柔韧，可清洗和可弯曲的rGO涂覆纱线，证明了使用高度可扩展的纱线染色技术。这种制造技术可以扩大规模，使用现有的纺织机械生产数吨导电石墨烯基纱线，而无需增加额外的资金或生产成本。然后通过最常用的针织技术将涂覆（染色）的纱线整合到纺织品结构中，并且可以连接到自供电射频识别（RFID）标签或低功率蓝牙设备。这种基于石墨烯的纱线还可以潜在地用作各种传感器，以便监测人体的生理条件而不损害智能纺织品的舒适性和耐磨性。
图形概况
2用于可穿戴传感器的工程石墨烯薄片
在这里，我们设计了rGO薄片的配方和还原条件。然后，我们将它们用作温度传感器平台，以可扩展的数量制造基于石墨烯的可穿戴纺织品传感器。使用改进的Hummers方法合成氧化石墨烯（GO），并通过修改我们先前报道的方法化学还原为rGO。图1a显示了单层rGO（SH）薄片（橄榄）的电导与装置的相应光学图像（顶部插图）的温度依赖性。
图1.从单层石墨烯薄片到电子纺织纱线的电输运测量。（a）低偏压温度依赖于Si / SiO 2 - 支持的单（橄榄）和双层重叠（红色）薄片的rGO （SH）和相应的配件（黑色虚线，指数依赖性）支持信息。（b）在（a）中，在300K（黑色），200K（红色）和100K（橄榄色）的温度下，rGO（SH）的单层薄片的电阻的栅极依赖性。（c）温度依赖性的示例IV的 rGO （SH）的特性，还原时间为24小时，GO与PSS聚合物比例为1：5（温度范围为150-300K）。（d）Si / SiO 2 - 负载的rGO（SH）墨滴的电导率低的偏置温度依赖性为1：5（前三行）和1:10（下四行）聚合物/材料比和缩短时间如表所示S2，支持信息。黑色虚线对应于指数配件。（e）石墨烯纱线的电导率的低偏压温度依赖性：涂有RGO（SH）（橄榄色），RGO（AA）（蓝色）和G ^薄片（黑色）
图2。RGO还原条件的优化。（a）中时间还原依赖于在硅/二氧化硅2（1：5GO /聚合物比）上滴加的RGO的油墨率导电的特征温度Ť 0。（b）中时间还原依赖于在的Si /二氧化硅2（1:10 GO /聚合物比率）上滴加的RGO的油墨率导电的特征温度 Ť 0。 （c）中从宽扫描XPS光谱获得的C /ö比的还原时间依赖性。（ d）由（a）的拉曼光谱得到的rGO薄片的D与G带的强度比（I D / I G）的变化。（e）D到G带的强度比的变化（I D / I.G）从（b）的拉曼光谱获得的rGO薄片。
3超高速纱线染色高度可洗和超柔韧的石墨烯纱线
穿戴电子纺织品制造的主要挑战之一是能够以可扩展的数量生产导电纺织品。我们在之前的研究中已经在一定程度上解决了这一问题，该研究是关于石墨烯基导电织物的可扩展生产，其具有以~150m / min的商业生产速率生产石墨烯电子纺织品的潜力。然而，还希望生产导电纺织纱线（而不是织物），然后通过针织，编织或刺绣将这种纱线整合到织物结构中。由此生产的纺织品传感器实现了更好的舒适性，移动性，可用性和美学性质。此外，该过程将提供生产具有优选设计，结构和性质的传感器的灵活性。然而，进一步的开发是必要的，因为目前用于生产导电纱线的金属基或其他技术既不可伸缩，也不耐用也不灵活。在这里，我们报告了一种高度可扩展和超快速的纱线染色技术，以生产可用于纺织传感器应用的可扩展数量的石墨烯导电纱线。
图3。rGO涂层的优化。（a）rGO（SH）纱线的抗性随涂布时间的变化。（b）rGO（SH）涂覆和干燥（在100℃下）纱线的耐受性与涂覆循环次数的关系。（c）中RGO（SH）纱线电阻随固化时间和温度的变化。（d）快速还原的氧化石墨烯RGO（SH）油墨的图示。（e）中使用RGO（SH）在60℃下30分钟的纺织纱线的染色循环图。（f）商业纱线染色机，可能染色（~1000公斤）纺织纱线（包装）。（g）未经染色漂白的对照棉纱。（ h）高度柔韧的石墨烯涂层纱线缠绕在锥体上。
图4.涂层纱线的洗涤稳定性和耐久性。（a）石墨烯涂覆纱线的电阻随洗涤次数的变化而变化。（b）未处理的对照纱线（×500）的SEM图像。（c）中RGO（SH） - （涂层）棉纱（×1000）的SEM图像。（d）RGO（SH） - （涂层）棉纱（×2000）的SEM图像（E）G薄片染色（涂布）棉纱（×1000）的SEM图像。（f）石墨，G薄片，GO和rGO的宽扫描XPS光谱。（g）GO的高分辨率C（1s）XPS光谱。（h）rGO的高分辨率C（1s）XPS光谱。（i）G薄片的高分辨率C（1s）XPS光谱.SEM图像上的所有比例尺均为5μm。
4针织温度传感器和表征
使用自动编织技术来提供用于放置石墨烯涂覆的纱线传感器的支架。这种自动编织技术允许传感器构造成为服装制造过程的一部分，从而有助于在服装中的任何位置精确地放置任何传感器几何形状。
图5.针织石墨烯传感器的制造和表征。（a）中带有石墨烯涂层纱线的针织温度传感器。（b）中用作放置石墨烯纱线作为温度传感器的支架的针织结构。（c）中针织温度传感器的纱线路径表示图。（d）编织传感器的电阻的温度依赖性随负温度系数显示几乎线性变化。（e）针织传感器的温度灵敏度在25到55°C之间循环测试，显示出极佳的重复性。（f）编织温度传感器的时间响应特性。
5采用超灵活石墨烯无线传感器的智能可穿戴服装
图6.基于石墨烯的超柔软智能可穿戴电子纺织品。石墨烯纱线传感器的电阻变化：（1）弯曲：向前（弯曲）和反向（向后弯曲）方向; （B）在压缩下：向前（压缩）和反向（向后压缩）方向; （C）在循环弯曲和压缩下1000次; （d）进行10次折叠 - 释放循环。（e）采用超柔性石墨烯纺织传感器编织的概念智能服装，可以监测人体的生理状况（可能在医院环境中），并通过自供电RFID或低功率蓝牙设备将数据发送到移动应用程序。卡子尔汉侯塞因Purba的插图，经艺术家和曼彻斯特大学许可使用（标识）。
这表明石墨烯基纱的出色的灵活性以及它们对可穿戴和可弯曲电子应用的巨大希望。
1穿戴电子纺织品介绍
多功能可穿戴电子纺织品因其在医疗保健，运动服装，健身，太空和军事应用方面的巨大潜力而成为备受关注的焦点。其中，导电纺织纱线显示出用作下一代柔性传感器的巨大希望，同时又不损害普通纺织品的性能和舒适性。然而，目前金属基导电纺织纱线的制造过程昂贵，不可扩展且对环境不利。在这里，我们报告了一种高度可扩展和超快速生产的基于石墨烯的柔性，可清洗和可弯曲的可穿戴纺织品传感器。我们设计石墨烯薄片及其分散体，以便为可穿戴纺织品应用选择最佳配方。然后，我们使用高速纱线染色技术用石墨烯基油墨染色（涂覆）纺织纱线。通过自供电RFID或低功耗蓝牙。这样生产的石墨烯纺织品传感器显示出优异的温度敏感性，非常好的可洗性和极高的柔韧性。这种工艺可以在高速工业设备中扩大规模，以生产用于下一代可穿戴电子应用的吨（~1000 kg / h）导电纺织纱线。
一种高度可扩展和超快速的纱线染色技术，用于生产rGO涂层纺织纱线，并将这些纱线用作柔性纺织品传感器。首先，使用快速且环保的方法合成一系列石墨烯材料，例如还原的石墨烯氧化物和石墨烯薄片（G）。为了观察温度敏感性，测试了各个rGO薄片，重叠rGO薄片，滴铸rGO薄膜和自支撑rGO涂覆纱线的电阻的温度依赖性。此外，通过生产一批柔韧，可清洗和可弯曲的rGO涂覆纱线，证明了使用高度可扩展的纱线染色技术。这种制造技术可以扩大规模，使用现有的纺织机械生产数吨导电石墨烯基纱线，而无需增加额外的资金或生产成本。然后通过最常用的针织技术将涂覆（染色）的纱线整合到纺织品结构中，并且可以连接到自供电射频识别（RFID）标签或低功率蓝牙设备。这种基于石墨烯的纱线还可以潜在地用作各种传感器，以便监测人体的生理条件而不损害智能纺织品的舒适性和耐磨性。
图形概况
2用于可穿戴传感器的工程石墨烯薄片
在这里，我们设计了rGO薄片的配方和还原条件。然后，我们将它们用作温度传感器平台，以可扩展的数量制造基于石墨烯的可穿戴纺织品传感器。使用改进的Hummers方法合成氧化石墨烯（GO），并通过修改我们先前报道的方法化学还原为rGO。图1a显示了单层rGO（SH）薄片（橄榄）的电导与装置的相应光学图像（顶部插图）的温度依赖性。
图1.从单层石墨烯薄片到电子纺织纱线的电输运测量。（a）低偏压温度依赖于Si / SiO 2 - 支持的单（橄榄）和双层重叠（红色）薄片的rGO （SH）和相应的配件（黑色虚线，指数依赖性）支持信息。（b）在（a）中，在300K（黑色），200K（红色）和100K（橄榄色）的温度下，rGO（SH）的单层薄片的电阻的栅极依赖性。（c）温度依赖性的示例IV的 rGO （SH）的特性，还原时间为24小时，GO与PSS聚合物比例为1：5（温度范围为150-300K）。（d）Si / SiO 2 - 负载的rGO（SH）墨滴的电导率低的偏置温度依赖性为1：5（前三行）和1:10（下四行）聚合物/材料比和缩短时间如表所示S2，支持信息。黑色虚线对应于指数配件。（e）石墨烯纱线的电导率的低偏压温度依赖性：涂有RGO（SH）（橄榄色），RGO（AA）（蓝色）和G ^薄片（黑色）
图2。RGO还原条件的优化。（a）中时间还原依赖于在硅/二氧化硅2（1：5GO /聚合物比）上滴加的RGO的油墨率导电的特征温度Ť 0。（b）中时间还原依赖于在的Si /二氧化硅2（1:10 GO /聚合物比率）上滴加的RGO的油墨率导电的特征温度 Ť 0。 （c）中从宽扫描XPS光谱获得的C /ö比的还原时间依赖性。（ d）由（a）的拉曼光谱得到的rGO薄片的D与G带的强度比（I D / I G）的变化。（e）D到G带的强度比的变化（I D / I.G）从（b）的拉曼光谱获得的rGO薄片。
3超高速纱线染色高度可洗和超柔韧的石墨烯纱线
穿戴电子纺织品制造的主要挑战之一是能够以可扩展的数量生产导电纺织品。我们在之前的研究中已经在一定程度上解决了这一问题，该研究是关于石墨烯基导电织物的可扩展生产，其具有以~150m / min的商业生产速率生产石墨烯电子纺织品的潜力。然而，还希望生产导电纺织纱线（而不是织物），然后通过针织，编织或刺绣将这种纱线整合到织物结构中。由此生产的纺织品传感器实现了更好的舒适性，移动性，可用性和美学性质。此外，该过程将提供生产具有优选设计，结构和性质的传感器的灵活性。然而，进一步的开发是必要的，因为目前用于生产导电纱线的金属基或其他技术既不可伸缩，也不耐用也不灵活。在这里，我们报告了一种高度可扩展和超快速的纱线染色技术，以生产可用于纺织传感器应用的可扩展数量的石墨烯导电纱线。
图3。rGO涂层的优化。（a）rGO（SH）纱线的抗性随涂布时间的变化。（b）rGO（SH）涂覆和干燥（在100℃下）纱线的耐受性与涂覆循环次数的关系。（c）中RGO（SH）纱线电阻随固化时间和温度的变化。（d）快速还原的氧化石墨烯RGO（SH）油墨的图示。（e）中使用RGO（SH）在60℃下30分钟的纺织纱线的染色循环图。（f）商业纱线染色机，可能染色（~1000公斤）纺织纱线（包装）。（g）未经染色漂白的对照棉纱。（ h）高度柔韧的石墨烯涂层纱线缠绕在锥体上。
图4.涂层纱线的洗涤稳定性和耐久性。（a）石墨烯涂覆纱线的电阻随洗涤次数的变化而变化。（b）未处理的对照纱线（×500）的SEM图像。（c）中RGO（SH） - （涂层）棉纱（×1000）的SEM图像。（d）RGO（SH） - （涂层）棉纱（×2000）的SEM图像（E）G薄片染色（涂布）棉纱（×1000）的SEM图像。（f）石墨，G薄片，GO和rGO的宽扫描XPS光谱。（g）GO的高分辨率C（1s）XPS光谱。（h）rGO的高分辨率C（1s）XPS光谱。（i）G薄片的高分辨率C（1s）XPS光谱.SEM图像上的所有比例尺均为5μm。
4针织温度传感器和表征
使用自动编织技术来提供用于放置石墨烯涂覆的纱线传感器的支架。这种自动编织技术允许传感器构造成为服装制造过程的一部分，从而有助于在服装中的任何位置精确地放置任何传感器几何形状。
图5.针织石墨烯传感器的制造和表征。（a）中带有石墨烯涂层纱线的针织温度传感器。（b）中用作放置石墨烯纱线作为温度传感器的支架的针织结构。（c）中针织温度传感器的纱线路径表示图。（d）编织传感器的电阻的温度依赖性随负温度系数显示几乎线性变化。（e）针织传感器的温度灵敏度在25到55°C之间循环测试，显示出极佳的重复性。（f）编织温度传感器的时间响应特性。
5采用超灵活石墨烯无线传感器的智能可穿戴服装
图6.基于石墨烯的超柔软智能可穿戴电子纺织品。石墨烯纱线传感器的电阻变化：（1）弯曲：向前（弯曲）和反向（向后弯曲）方向; （B）在压缩下：向前（压缩）和反向（向后压缩）方向; （C）在循环弯曲和压缩下1000次; （d）进行10次折叠 - 释放循环。（e）采用超柔性石墨烯纺织传感器编织的概念智能服装，可以监测人体的生理状况（可能在医院环境中），并通过自供电RFID或低功率蓝牙设备将数据发送到移动应用程序。卡子尔汉侯塞因Purba的插图，经艺术家和曼彻斯特大学许可使用（标识）。
这表明石墨烯基纱的出色的灵活性以及它们对可穿戴和可弯曲电子应用的巨大希望。
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