涂有少量石墨烯的棉织物作为高响应表面加热器和轻型电子纺织电路
成果简介
本文，斯特拉斯堡大学研究人员提出一种环保且经济高效的方法生产高度分散的薄层的石墨烯，使用karaya胶作为一种生物启发剥离剂。合成后的石墨烯水溶液可以通过浸涂或刷涂轻松地涂在棉布上，由于涂胶后的石墨烯片与棉布基体表面的官能团之间的相互作用。所制备的织物复合材料显示出高机械稳定性，锚固性和高电导率，使其成为在相对大量的技术应用中的极佳候选材料。 本研究主要探讨经激光后处理之棉织物复合材料作为平面加热元件或电子纺织电路之潜力。利用激光束，可以实现石墨烯导电线的局部石墨化或局部刻蚀，形成具有不同电阻的导电区域，可以作为柔性集成电路 。除了轻质导电电路外，石墨烯涂层棉织物还可用于其他技术应用，即作为柔性无金属标记物或红外屏蔽物，或用作保护敏感设备或防止火焰蔓延的不燃屏障。这项技术使人们能够开辟一条新的途径，以开发日常生活中连接的、具有低碳足迹影响的附加值灵活的电子纺织设备。
图文导读
图1. EG剥离的过程示意图
图2.代表性的SEM显微照片
图3.（A）表面电阻率和（B）电导率与涂层周期，FLG载荷和热处理温度的关系。
（C）由FLG @棉布（13 cm×13 cm）组成的用于热性能测量的设备的数码照片：T，用于记录温度的平面热电偶；E，铜电极；FLG @ CC ，在200°C的温度下处理1小时后，用4 wt％的FLG涂覆的棉布。
（D）响应表面温度随施加电压的变化。（E）所产生的比功率是所施加电压的函数。
图4.（A）具有一系列未涂覆的平行条的FLG /树脂/ CC织物的数码照片，（B）由顶部的FLG /树脂/ CC织物和未涂覆的CC织物组成的组件的数码照片，在20 V的施加电压下，它起着掩膜的作用，并且标记的（C，D）对应的热图像是加热持续时间的函数。为清晰起见，在方框中标记了未涂层区域。
图5.（A）未涂层和FLG涂层手套
（B）FLIR图像，然后在80°C热处理15分钟。实验在26°C的环境温度下进行。可以在带有FLG涂层的手套上清楚地看到热辐射，该手套显示橙色的热色（左），而不是未涂层的亮黄色（右）。
（C）FLG @ glove的FLIR图像
（D）在热辐射方面几乎相差4°C的未涂层手套。
图6.（A）原始FLG /棉复合材料，平均表面电阻为50±5Ω。
（B）具有三个正方形区域的相同FLG /棉复合材料，通过激光烧蚀蚀刻后，与未处理区域相比，电阻值无穷大。
（C）在经过不同时间的激光图案化和石墨化处理后，在FLG @ CC 上产生的具有降低电阻的不同连接器的数码照片。
（D）图案化和局部石墨化后，同一FLG @ CC的数码照片，用于以较高的横向分辨率修改不同区域的电阻。
图7.（A）与直接火焰接触的不同材料的燃烧行为的数码照片。CC：未经处理的原始棉布；CC-400°C-Ar：在氩气流下于400°C热处理1h后的棉布；FLG @ CC-400 °C-Ar：棉布在氩气下于400°C热处理1 h，然后在FLG水溶液中两次浸涂浸渍，并在每次干燥后于150°C烘干30分钟浸渍。
（B）FLG @ CC-400 °C-Ar 的易燃性示例与钉在旁边的原始未涂层棉布相比，后者易燃，在接触火焰后可稳定燃烧几秒钟。
小结
合成了具有高稳定性和导电率可调的FLG装饰棉织物作为柔性表面加热器的柔性复合材料。该复合材料在加热和关机过程中表现出很高的热响应和稳定性，证实了其在电子纺织品领域具有很高的应用潜力。FLG优异的电学和热学特性以及高纠缠度，即使在低输入功率（小的外加电压）下也能提供快速响应、稳定性和高表面温度。合成的复合材料还可以有效地用作民用和军用固定或移动源的无金属热标记。在单面涂有不同电阻值和连接度的完整柔性电子电路FLG@棉花布料采用激光刻印和局部石墨化处理，不会损坏下方的棉布基材。低成本生产和观察到的高性能使法兰@CC与市场上使用银或金属纳米粒子的织物相比，织物复合材料具有竞争力。
结果表明，在棉布上涂覆薄层FLG是一种低成本、低电压、高弹性、高弹性的加热器。这些复合材料可进一步应用于其他领域，如轻质/高性能无金属红外反射器，以减少红外辐射对周围环境的热损失。最后，在经过热处理的棉布上涂上石墨烯层，即使在与火焰长时间接触后，也能有效地防止复合材料的燃烧，这使得这种复合材料非常有兴趣用作防火屏障，以保护敏感结构或人员免受火焰传播的伤害。目前正在研究将这种复合材料用作双表面材料，即涂有石墨烯层的亲水性棉纤维作为吸热材料，用于海水淡化过程，或作为具有高度粗糙表面和长期稳定性的石墨烯涂层聚合物纤维，用作电过滤器，具有高热开/关触发系统，用于捕捉和灭活生物，如病毒或细菌。
文献：
Cotton Fabrics Coated with Few-Layer Graphene as Highly Responsive Surface Heaters and Integrated Lightweight Electronic-Textile Circuits
Housseinou Ba*, Lai Truong-Phuoc, Vasiliki Papaefthimiou, Christophe Sutter, Sergey Pronkin, Armel Bahouka, Yannick Lafue, Lam Nguyen-Dinh, Giuliano Giambastiani*, and Cuong Pham-Huu*
Cite this: ACS Appl. Nano Mater. 2020, XXXX, XXX, XXX-XXX
Publication Date:August 31, 2020
https://doi.org/10.1021/acsanm.0c01861
用于虚拟现实和增强现实应用的纺织电子产品
【导读】
纺织电子产品处理具有电子功能的纤维或纤维组件，以产生，传输，调制和检测电子。交互式纺织电子设备可能会为虚拟现实（VR）/增强现实（AR）应用程序提供合适的平台，这是因为它们的出色性能以及独特的沉浸式功能（例如，即使在高变形下也具有轻巧，方便，灵活，舒适和低应变的特性）。本文对交互式设备，制造技术，系统集成，有前途的应用以及基于纺织品的VR / AR系统所涉及的挑战的最新技术文献进行了系统的回顾。
虚拟现实（VR）和增强现实（AR）是目前最热门的多学科技术趋势，它们融合了计算机，各种传感器，图形图像，通信，测量和控制多媒体，人工智能以及其他技术。
VR通常使用行为界面和计算机程序来允许用户彼此交互，并在虚拟环境中模拟3D对象的行为。VR意味着完全的沉浸式体验，将现实世界拒之门外。相比之下，AR通常通过使用智能手机上的相机将数字元素添加到实时取景中。增强现实体验的示例包括Snapchat镜头，游戏《 Pokemon Go》和将路线叠加在道路实时视图上的导航系统。虽然AR可以在智能手机和其他显示器等现有显示屏上运行，但大多数人将VR与或多或少的笨重的头戴式显示器相关联。
流行的VR耳机的示例。
这意味着目前模仿人类的感觉系统通常仅限于音频和视频通道，并且需要笨拙而僵硬的设备。而交互式纺织电子设备将因其出色的性能和独特的沉浸特性（如轻巧，轻巧，灵活，舒适，变形小）而为VR / AR应用提供合适的平台。
基于纺织品的系统在新兴的VR / AR应用程序中提供了比其他听觉和视觉交互更好的体验，涉及其他感官交互。此外，纺织设备使可穿戴式VR / AR系统更小，更柔软，更舒适，从而扩大了VR / AR应用的范围。诸如碳纳米管和金属纳米线之类的固有导电纳米材料以及诸如摩擦电纳米发生器之类的纳米级器件是开发这些电子纺织品的关键。
香港理工大学的研究人员 在《Advanced Functional Materials》（"用于VR / AR应用的纺织电子产品"）(("Textile Electronics for VR/AR Applications")中发表了一篇评论文章，其中介绍了基于纺织品的最新VR / AR设备，系统和应用。
作者首先介绍了纺织电子（电子纺织）领域，包括其定义，分类，制造技术和系统架构。
本征导电纳米材料。
除致动器和电极外，电子纺织的重要组成部分是传感器，用于检测物理和化学刺激，以获取有关环境的大量信息作为交互的基础。考虑到纺织品的特性，纺织品形式的传感器可以是柔性的，耐用的，生物相容的和轻便的。这些传感器可以在VR / AR系统中用作应变，压力，温度，气体，气味和多功能传感器。
例如，应变传感器可以将机械运动转换成电信号，以监视大型和小型运动。这些可能会在医疗保健，体育和机器人行业中找到应用。
感觉刺激为人们提供了对世界的连贯感知。纺织电子设备是一个绝佳的平台，使人们可以同时体验音频，视频，触觉，多模式感觉输入以及在图形渲染的对象或环境中移动。感知设备将虚拟世界中的各种感知模型转换为多通道刺激（例如，触觉，视觉和听觉信号）以进行检测。
纺织品传感器的例子。
在讨论了电子纺织之后，作者随后介绍了VR / AR系统中使用的交互式纺织设备。接下来是各种制造过程的介绍，并检查与交互式纺织设备，电子接口，电源和显示硬件集成在一起的某些VR / AR系统。
为了制造具有先进电气和纺织特性的不同纺织电子产品，研究人员探索了不同的制造方法。
这些技术通常可以分为两类：物理方法和化学方法。
前者包括纺丝，印刷，涂布和物理气相沉积。该印刷方法具有低温，无真空操作，生产成本低，具有大规模生产潜力以及与材料的广泛相容性的优点。
化学技术涉及化学反应，可通过添加化学药品或控制基材的化学成分来修饰导电材料的纺织品表面。常见的化学制造方法包括电镀，化学气相沉积（CVD）和碳化。
VR和AR系统的所有组件（显示单元，控制器，模数转换器，无线模块，传感单元和显示器）的关键部件之一，也是使设备真正可穿戴的重大挑战，也是使设备真正可穿戴的重大挑战。计算单元。
这些组件中的每一个都可以单独工作，也可以通过无线/有线通信技术与其他组件一起工作。它们还可以分别供电，因为它们需要不同级别的功耗。因此，柔性电池和超级电容器适用于诸如显示器之类的高功耗设备，而基于织物的摩擦发电机则是有希望应用于自供电传感和能量收集的系统。
例如，去年的研究人员展示了一种基于全纺织物摩擦传感器的智能手套，该手套能够捕获人类手势以远程控制VR，从而实现了遥控机器人抓手（Journal of Materials Chemistry A，"一种全纺织物摩擦传感器，用于可穿戴式遥控人机交互"）。
姿势和步态跟踪设备。a）集成在手套中用于虚拟界面控制的多峰光纤型传感器的图像。b）对不同外部刺激的响应的传感器测量。c）在游戏中应用的智能手套的照片和虚拟图像。d）传感器的电容式触摸值。e）在玩游戏中使用的电容式触摸传感器。
技术总结：
尽管VR / AR系统还不能完全在纺织品结构中制造，但作者认为采用某些发达的纺织品电子设备可以提供进一步的用户友好型沉浸式VR / AR体验。
当今纺织电子VR / AR系统发展的主要障碍是性能不足，生产技术不成熟以及缺乏系统级调查和标准。另外，纺织电子产品的总寿命比刚性微电子设备的寿命短，并且许多由有机或聚合物功能材料制成的纺织电子产品对水和氧气敏感，并且纺织品的洗涤过程会导致功能恶化。
正如这类早期技术的典型情况一样，大多数纺织电子设备的实验都是在实验室或研究阶段进行的，到目前为止，只有极少数的纺织电子产品实现了商业化，因为许多设备都是使用实验室型手动技术而不是工厂制造出来的。
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