臺灣科技大學：3D打印石墨烯/聚合物納米復合材料，用于智能服裝

來源: 材料分析與應用

臺灣科技大學邱智瑋等研究人員在《Progress in Organic Coatings》期刊發(fā)表名為“Photocured, highly flexible, and stretchable 3D-printed graphene/polymer nanocomposites for electrocardiography and electromyography smart clothing”的論文，研究開發(fā)用于心電圖和肌電圖智能服裝的光固化、高彈性和可拉伸的3D打印石墨烯/聚合物納米復合材料。將丙烯酸酯單體和低聚物以不同的比例組合起來，制備出具有良好伸展性和回彈力的光固化樹脂。然后加入石墨烯，為光固化樹脂引入導電性并增強其靈活性。這種樹脂被用來3D打印具有微針表面結構的樣品圖案。這些樣品圖案被成功地用作檢測人體信號的傳感元件。

比較了兩種避免石墨烯聚集的方法：（1）添加苯乙烯馬來酸酐（SMA），通過芳香環(huán)和石墨烯之間的π-π相互作用實現(xiàn)物理吸附；（2）添加聚醚胺（PEA），與石墨烯產生立體效應。通過將SMA嫁接到PEA上，制備了一種兩親分散劑，并確定了理想的分散比例。將該分散劑與光固化樹脂混合，形成石墨烯/光固化樹脂納米復合材料。

圖1.（a）UA和不同單體以不同比例制備的樹脂的粘度曲線，

（b）UA和不同單體以1：1的固定比例制備的樹脂的應力-應變曲線，

（c）UA和不同單體制備的樹脂以1：1的比例交聯(lián)密度，

（d）用UA和CTFA制備的樹脂以不同比例的交聯(lián)密度，

（e）用UA和CTFA制備的樹脂以不同比例的應力-應變曲線，

（f）用UA和CTFA制備的樹脂的10個回彈疲勞試驗周期的應力-應變曲線，比例為2：8。

圖2、改性石墨烯的分散效應及納米復合樹脂的性能

通過改變石墨烯的含量，得到了具有最低電阻（約3×10Ω/sq）和機械強度（拉伸強度：>4MPa，斷裂伸長率：320%）的納米復合材料。該材料在50％的循環(huán)疲勞下也表現(xiàn)出良好的彈性。最后，與傳統(tǒng)絲網印刷生產的平板不同的是，3D打印了平板底板。制備了具有不同長徑比和針間間距的表面微針結構的材料，并通過測量人類的心電圖和肌電圖信號對這些材料之間的皮膚接觸差異進行了實驗研究。研究結果表明，具有多樣化和復雜結構的高度定制的3D打印樹脂可以成功地集成到智能服裝中，監(jiān)測人類的生理狀態(tài)。

圖3、3D打印被用于生產不同類型的微觀表面結構

圖4、所制備的導電光固化樹脂電極在智能服裝心電和肌電監(jiān)測中的應用

小結

利用DLP 3D打印，在樹脂表面設計微針結構，與皮膚產生更大的接觸面積，制備導電柔性傳感電極，用于心電圖和肌電監(jiān)測。

文獻：

https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2022.107378