成均馆大学Ji Won Suk课题组--可穿戴器件用石墨烯纤维及纤维基热敏电阻的快速制备

科技   2024-12-18 16:30   河北  



湿纺丝氧化石墨烯液晶(GO LCs)是一种可扩展的制造石墨烯纤维的方法,可用于柔性和可穿戴设备。在这项研究中,使用旋转Couette流(定子和转子之间的小间隙)进行高剪切混合,有效地从纳米厚单层氧化石墨烯薄片分散中生产LC相。经过1分钟的高剪切搅拌,得到的LC相粘度高于常规磁力搅拌得到的LC相。石墨烯纤维是通过湿纺丝和随后的氧化石墨烯LCs的化学还原得到的,获得了改善的机械和电气性能。由于石墨烯lc及其后续石墨烯纤维的高效生产,石墨烯纤维直接用作柔性和可穿戴温度传感器的热敏电阻。该光纤热敏电阻的高温电阻系数为- 0.21±0.01% /°C,线性度高,相关系数为0.999,时间常数低,为0.33±0.07 s,重复性好。因此,这项研究证明了高剪切混合的潜力,可以快速制造用于可穿戴设备的石墨烯纤维,包括智能纺织品、软机器人和柔性医疗设备。


图1. 高剪切混频器制备氧化石墨烯纤维示意图。(a)高剪切混合器,由定子和转子之间有小间隙组成。(b)湿纺丝装置,由带喷丝器的注射泵、旋转冷凝、红外灯和旋转收集鼓组成。


图2. 氧化石墨烯薄片的结构和化学特性。(a)放置在二氧化硅衬底上的氧化石墨烯薄片的SEM图像。(b)氧化石墨烯薄片的原子力显微镜图像。(c)氧化石墨烯薄片沿(a)、(d)拉曼(Raman)、(e) XRD、(f)氧化石墨烯粉末XPS C1s谱线的谱线轮廓。


图3.使用GO LC涂料。(a–f)通过(a–c)磁搅拌和(d–f)高剪切混合获得的GO LC涂料的数字照片。将瓶子倒置,检查每种情况下的粘度状态。(g) 粘度是每个样品剪切速率的函数。


图4. 使用(a,d)S1200×12h、(b,e)M1200×10m和(c,f)M8000×1m掺杂制备的rGO纤维的(a–c)横截面和(d–f)表面形貌的SEM图像。


图5. 还原氧化石墨烯纤维的结构和化学特性:(a)纤维的拉曼光谱和(b)纤维的XRD光谱。(c - e)使用(C) S1200 × 12h, (d) M1200 × 10m, (e) M8000 × 1m的氧化石墨烯LC掺杂制备的光纤的XPS C1s光谱。


图6.通过磁搅拌和高剪切混合制备的GO-LC掺杂rGO纤维的力学和电学性能:(a)代表应力-应变曲线,(b)拉伸强度,(c)韧性,以及(d)密度和电导率。


图7. 使用rGO纤维的柔性纤维形热敏电阻。(a) S1200×12h和M8000×1m光纤的相对电阻随温度的变化。插图显示了纤维热敏电阻的灵活性。(b) 采用M8000×1m制作的rGO光纤热敏电阻的循环电阻响应。(c) 在35°c与热源周期性接触期间热敏电阻的相对电阻变化。(d) 根据(c)中的电阻响应估算的时间常数。


  相关研究成果由成均馆大学Ji Won Suk课题组2024年发表在ACS Applied Nano Materials(链接:https://doi.org/10.1021/acsanm.4c04725)上。原文:Rapid Fabrication of Graphene Fibers and Fiber-Based Thermistors for Wearable Devices


信息来源:石墨烯研究




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