3D打印石墨烯/聚合物納米復(fù)合材料，用于智能服裝

來源: 材料分析與應(yīng)用

中國臺(tái)灣科技大學(xué)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(fù)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(dǎo)電性并增強(qiáng)其靈活性。這種樹脂被用來3D打印具有微針表面結(jié)構(gòu)的樣品圖案。這些樣品圖案被成功地用作檢測人體信號(hào)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(shí)現(xiàn)物理吸附；（2）添加聚醚胺（PEA），與石墨烯產(chǎn)生立體效應(yīng)。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(fù)合材料。

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(jī)械強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度：>4MPa，斷裂伸長率：320%）的納米復(fù)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(wǎng)印刷生產(chǎn)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(jié)構(gòu)的材料，并通過測量人類的心電圖和肌電圖信號(hào)對(duì)這些材料之間的皮膚接觸差異進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，具有多樣化和復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線，

（f）用UA和CTFA制備的樹脂的10個(gè)回彈疲勞試驗(yàn)周期的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，比例為2：8。

圖2、改性石墨烯的分散效應(yīng)及納米復(fù)合樹脂的性能

圖3、3D打印被用于生產(chǎn)不同類型的微觀表面結(jié)構(gòu)

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

小結(jié)
利用DLP 3D打印，在樹脂表面設(shè)計(jì)微針結(jié)構(gòu)，與皮膚產(chǎn)生更大的接觸面積，制備導(dǎo)電柔性傳感電極，用于心電圖和肌電監(jiān)測。

文獻(xiàn)：
https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2022.107378