工艺改性处理后的材料具备全新属性,其韧性、硬度、使用寿命等直观参数获得提升。根据材料属性不同,这其中既包含单一属性的峰值提升,也包含多重属性的叠加提升。
本文以蚕丝纤维的碳化处理与柔性器件应用为核心,研究经高温处理后的蚕丝纤维改性工程。高温处理后的蚕丝将转变为氮掺杂碳材料,这一材料在导电基础上保留了蚕丝纤维属性,赋予产品贴身的舒适感,是一种可直接应用于生产功能服饰或可穿戴设备的传感敷贴材料。
物理工艺处理的材料改性可使得蚕丝纤维或织物的宏观形态得以保留,最终得到具有“纤维→纱线→宏观织构”的导电碳织物,保留了织构结构的材料属性,可极大程度改进柔性电子器件的制备工艺。
2016年,清华大学相关研究组首次制得蚕丝基导电碳织物,并将其封装在聚二甲基硅氧烷(PDMS)或者脂肪族-芳香族无规共聚酯(Ecoflex)等弹性体中,经预拉伸处理后,成功制备兼具高灵敏度和宽应变检测范围的柔性应变传感器。
高导电率
蚕丝基导电碳织物制得的柔性应变传感器可实现对人体大尺度运动和精细动作的实时监测。由于其固有的N掺杂石墨化纳米碳结构以及独特的编织结构而具有高电导率,非常适合用作电化学传感器的工作电极。
研究发现,除材料本身的结构优势,不同编织方式亦促成了蚕丝基导电碳织物多元性的应用优势。学者进一步开展基于织构与性能关系的研究,发现不同编织结构(平纹、斜纹、缎纹和乔其纱结构) 的织物具有不同的经纬纱线交织点数目和交织结构,这种结构差异使制得的柔性应变传感器在预拉伸过程中形成不同的裂纹形貌结构,从而表现出不同的传感性能(最大检测应变、灵敏度),结合人体工程学,研制出满足不同应用场景和人体部位的器件。
负载性
蚕丝基导电碳织物表面还可以进一步负载其他功能性材料,例如结合仿生科技在其表面均匀覆盖绒毛状CNTs,得到类似“蜘蛛听毛”的结构,针对周围空气轻微的震动做出反馈,可感知超灵敏的气流响应,预警性能大大增加。多应用于监视、监听、预警器等侦查设备中。
应用前景
蚕丝基导电碳织物可用于检测多项生理指标,其本身为传感器电极材料,所具有的高导电性可实现数据内容的实时传输。
5G时代
未来5G网络覆盖,各行业生产设备的指令传输效率将大大提高,提升数据传输速率的前提是硬件更新。万物互联时代,信息、信号、指令的传递时间将成为衡量评价一项产业的重要指标,根据传感器反馈的信息快速反应(配合负载材料/硬件可实现实时分析)并实时传输,这是蚕丝基导电碳织物区别于其他传感器材料的核心属性之一。
环保材料
新型材料诞生在某些维度上为产业前端的大规模硬件迭代做好了铺垫。而近年我国各省市严控新建指标,工厂能评与环评门槛逐年提高,原料有机溯源、低能耗低排放、生产端可持续发展等生产要素由“争取实现”转向必须。因此,原料生产端针对再生蚕丝纤维材料的量产应用课题受到科研界关注。利用回收材料制成的再生蚕丝与普通蚕丝在组成结构上无任何差异,也可被完整碳化应用。
生产制备
蚕丝基导电碳织物的制备过程十分有趣,保留了织构结构,因此在生产端,任何形状、硬度的材料/半成品都能被像布匹、面料一样被“织”出来。这为传统产业的转型提供了极大便利,保留了类似“织布”的制作工艺,量产应用所需的硬件升级成本将大大降低。
由静电纺丝技术制备的丝素蛋白纳米纤维薄膜通过合理的热处理工艺,可转变为超薄、柔性的碳纳米纤维薄膜。碳纳米纤维薄膜是在蚕丝基导电碳织物基础上衍生的全新材料,可直接用作温度传感器,区别于其他温度传感器材料,在应用方面可制备单一材料双模式的电子皮肤,可同时感知外界压力和温度信号,在生理信号检测和人机交互领域具有广阔的应用前景。