全噴墨打印多層材料的紡織電容器

供稿人：連偉龍，連芩
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，電子紡織品提供了柔性電子產(chǎn)品可穿戴的可能，并且在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有檢測(cè)人體信號(hào)等顯著優(yōu)勢(shì)。然而，電子紡織品的研究?jī)H限于應(yīng)用單一導(dǎo)電材料來(lái)測(cè)量生物電勢(shì)，對(duì)于具有傳感、驅(qū)動(dòng)、通信和能量存儲(chǔ)的多材料高功能電子紡織品，會(huì)造成器件結(jié)構(gòu)過(guò)大不適合穿戴。為此，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的研究人員使用雙層聚合物電介質(zhì)和金屬有機(jī)分解 (MOD) 銀墨水，全噴墨（無(wú)層壓過(guò)程）打印了多層結(jié)構(gòu)的紡織電容器。結(jié)果展示了在噴墨打印過(guò)程中紡織品獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)和雙層介電層為可穿戴電子設(shè)備的機(jī)電性能提供了可能；并在經(jīng)過(guò)了100多次的彎曲循環(huán)測(cè)試后，紡織電容器依然具有電氣性能。

圖1 多材料墨水的噴墨打印電容器結(jié)構(gòu)； (a) 逐層在PET 薄膜和 PET 紡織品上的噴墨打印 (b) 薄膜和紡織品電容器的結(jié)構(gòu)以及圖案樣品的光學(xué)圖像

研究人員提出了一種利用紡織品固有的微觀結(jié)構(gòu)、墨水-纖維界面和噴墨工藝優(yōu)化的全噴墨打印紡織品電容器的新方法。該方法利用紡織品在電極水平與介電水平上的多孔結(jié)構(gòu)和墨水具有粘附和芯吸行為，使之發(fā)生獨(dú)特的化學(xué)反應(yīng)。如圖所示噴墨打印的聚氨酯丙烯酸酯和聚（4-乙烯基苯酚）（UA,PVP/PMF）墨水能夠在紡織品上形成平面化的雙層介電層，該雙層介電層界面處獨(dú)特的化學(xué)相互作用在絕緣多孔紡織基材方面發(fā)揮了重要作用，從而產(chǎn)生了高化學(xué)性能和機(jī)械耐久性，并且發(fā)現(xiàn)絕緣材料以及紡織紗線的化學(xué)特性對(duì)于保持液態(tài)銀墨水的導(dǎo)電能力和防止其滲透多孔織物非常重要。

該研究提出了應(yīng)用不包含層壓過(guò)程的全噴墨打印在紡織品上靈活打印多層材料，為未來(lái)制造具有心率跟蹤或能量存儲(chǔ)等功能的可穿戴電子紡織品提供了新的方法。

參考文獻(xiàn)：
Kim I, Ju B, Zhou Y, et al. Microstructures in All-Inkjet-Printed Textile Capacitors with Bilayer Interfaces of Polymer Dielectrics and Metal-Organic Decomposition Silver Electrodes[J]. ACS Appl Mater & Interfaces, 2021, 13 (20): 24081-24094.