台湾科技大学：3D打印石墨烯/聚合物纳米复合材料，用于智能服装

来源: 材料分析与应用

台湾科技大学邱智玮等研究人员在《Progress in Organic Coatings》期刊发表名为“Photocured, highly flexible, and stretchable 3D-printed graphene/polymer nanocomposites for electrocardiography and electromyography smart clothing”的论文，研究开发用于心电图和肌电图智能服装的光固化、高弹性和可拉伸的3D打印石墨烯/聚合物纳米复合材料。将丙烯酸酯单体和低聚物以不同的比例组合起来，制备出具有良好伸展性和回弹力的光固化树脂。然后加入石墨烯，为光固化树脂引入导电性并增强其灵活性。这种树脂被用来3D打印具有微针表面结构的样品图案。这些样品图案被成功地用作检测人体信号的传感元件。

比较了两种避免石墨烯聚集的方法：（1）添加苯乙烯马来酸酐（SMA），通过芳香环和石墨烯之间的π-π相互作用实现物理吸附；（2）添加聚醚胺（PEA），与石墨烯产生立体效应。通过将SMA嫁接到PEA上，制备了一种两亲分散剂，并确定了理想的分散比例。将该分散剂与光固化树脂混合，形成石墨烯/光固化树脂纳米复合材料。

图1.（a）UA和不同单体以不同比例制备的树脂的粘度曲线，

（b）UA和不同单体以1：1的固定比例制备的树脂的应力-应变曲线，

（c）UA和不同单体制备的树脂以1：1的比例交联密度，

（d）用UA和CTFA制备的树脂以不同比例的交联密度，

（e）用UA和CTFA制备的树脂以不同比例的应力-应变曲线，

（f）用UA和CTFA制备的树脂的10个回弹疲劳试验周期的应力-应变曲线，比例为2：8。

图2、改性石墨烯的分散效应及纳米复合树脂的性能

通过改变石墨烯的含量，得到了具有最低电阻（约3×10Ω/sq）和机械强度（拉伸强度：>4MPa，断裂伸长率：320%）的纳米复合材料。该材料在50％的循环疲劳下也表现出良好的弹性。最后，与传统丝网印刷生产的平板不同的是，3D打印了平板底板。制备了具有不同长径比和针间间距的表面微针结构的材料，并通过测量人类的心电图和肌电图信号对这些材料之间的皮肤接触差异进行了实验研究。研究结果表明，具有多样化和复杂结构的高度定制的3D打印树脂可以成功地集成到智能服装中，监测人类的生理状态。

图3、3D打印被用于生产不同类型的微观表面结构

图4、所制备的导电光固化树脂电极在智能服装心电和肌电监测中的应用

小结

利用DLP 3D打印，在树脂表面设计微针结构，与皮肤产生更大的接触面积，制备导电柔性传感电极，用于心电图和肌电监测。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2022.107378