智能織物是一個新興的前沿科技,它的出現(xiàn)代表著電子技術(shù)、制造技術(shù)、傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的紡織技術(shù)結(jié)合得更加緊密。與傳統(tǒng)的智能手表和手環(huán)等可穿戴設(shè)備不同,智能織物更輕量、更柔性、更適合人體、更多用途。智能織物,既可以由各種各樣的導(dǎo)電材料制成,例如導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電紗線、導(dǎo)電涂層、導(dǎo)電刺繡圖案和導(dǎo)電疊片,也可以帶有各種電子元器件,例如:傳感器、集成電路、LED、OLED、電池等。目前,可穿戴電子設(shè)備基本上是通過將電子器件膠合到織物上來實現(xiàn)的,這意味著這些電子器件與皮膚的相容性有限,穿戴起來也會不舒適。如何將電子器件通過簡單的制造方法直接融入到織物中需要進(jìn)一步研究。此外,器件的穩(wěn)定性,柔韌性以及可水洗性仍是目前亟需解決的一大難題。
針對上述關(guān)鍵問題,東華大學(xué)胡吉永教授團(tuán)隊提出了一種UV納米銀導(dǎo)電油墨,并通過絲網(wǎng)印刷的方式在普通錦綸織物基底上直接印刷導(dǎo)電電路和可穿戴UHF REID標(biāo)簽。這種導(dǎo)電油墨沉積到織物上之后通過紫外固化,其中的溶劑很容易被去除,從而生成一張由多個片狀納米銀組成的薄而均勻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
圖1. 在織物上絲網(wǎng)印刷導(dǎo)電電路及RFID標(biāo)簽的示意圖
絲網(wǎng)印刷線寬是決定導(dǎo)線印刷分辨率及其在柔性電子設(shè)備中應(yīng)用的基本要素之一。因此,在織物基材上絲網(wǎng)印刷不同寬度的導(dǎo)電線,長度為50 mm,寬度分別為5,4,3,2,1,0.5,0.4,0.3和0.2 mm,實驗結(jié)果表明,在織物上印刷的導(dǎo)電線的邊緣光滑且清晰,并且片狀納米銀分布均勻。固化后,納米銀的含量為78.57 %,電導(dǎo)率高達(dá)6.02 × 106 S m-1。
圖2. (a) 在錦綸織物上絲網(wǎng)印刷不同寬度的導(dǎo)電線的光學(xué)圖;(b) 固化后導(dǎo)電線光滑且均勻邊緣的SEM圖;(c) 印刷導(dǎo)電線截面SEM圖;(d)固化后絲網(wǎng)印刷導(dǎo)電線的元素映射圖;(b)織物上印刷導(dǎo)電線的EDS光譜
對具有不同寬度的絲網(wǎng)印刷導(dǎo)電線進(jìn)行了彎曲測試,以進(jìn)一步探究導(dǎo)電線的柔韌性。結(jié)果表明隨著彎曲周期的增加,具有不同寬度的印刷線的電阻均有一定程度地增加,其中0.2 mm寬的印刷線具有最大的電阻變化,彎曲500次后電阻是原始電阻的2倍。寬度為0.2 mm的導(dǎo)電線的厚度最薄,根據(jù)層壓板中性面理論厚度較薄的導(dǎo)電線在彎曲過程中更容易受到破壞,導(dǎo)致較大的電阻變化。
圖3. (a) 在彎曲半徑為5 mm的500次彎曲循環(huán)期間,印刷導(dǎo)電線的相對電阻變化;(b)在500次彎曲循環(huán)后具有不同寬度的印刷線的相對電阻
為了證明UV導(dǎo)電油墨在印刷電子紡織品中的應(yīng)用前景,用絲網(wǎng)印刷的方式制備了UHF RFID標(biāo)簽天線,并且通過機(jī)洗來評估其可洗性。絲網(wǎng)印刷標(biāo)簽的平均讀取距離約為8.32 m,比紡織產(chǎn)品物流和倉庫管理所需的距離長得多。而且,經(jīng)過5次機(jī)洗循環(huán)后,標(biāo)簽的平均讀取距離從8.32 m降低到3.12 m,但讀取距離仍然超過3.0 m,滿足紡織品倉儲和物流管理所需的讀取距離。
圖4. (a) 封裝芯片的絲網(wǎng)印刷UHF RFID標(biāo)簽天線;(b) 5次洗滌循環(huán)期間UHF RFID標(biāo)簽的平均讀取距離。
以上相關(guān)成果近期發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces, published online, DOI: 10.1021/acsami.9b06432, 2019)上。論文的第一作者為東華大學(xué)紡織學(xué)院的博士生洪虹,通訊作者為胡吉永教授,共同作者為晏雄教授。
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