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丝素蛋白+碳纳米管油墨,3D打印储能设备诞生

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:3D打印商情

2019-08-06 09:48

  据《3D打印商情》了解,在最近发表的一篇论文中,作者概述了一种新的3D打印方法,可以成为在电子纺织品中创造能量收集织物的催化剂,从而在电子和可穿戴设备中实现更好的性能。他们在研究中使用丝素蛋白(SF)和碳纳米管油墨(CNTs)对可穿戴设备、储能设备和实用电子纺织品进行了3D打印。

  随着消费类电子产品(包括可穿戴产品)变得更加先进和更具可用性,研究人员继续努力推动数字技术和传感器等组件的性能的进步——其中大部分也受到小型化过程的推动。然而,电力,能源和电池总是一个挑战,因为我们都知道要保持手机每天正常工作。研究人员指出,今天许多可穿戴设备都体积庞大,因为它们必须包含电池。生物相容性也是一个问题,因为消费者希望佩戴多种不同的新颖和创新设备。

在纺织品上获得的CNTs@SF芯-鞘纤维的结构和形态(A)在纺织品上的芯鞘纤维的顶视图的扫描电子显微镜(SEM)图像。(B)纺织品上的芯鞘纤维的顶视图的光学图像。(C)纺织品上的芯鞘纤维的横截面的SEM图像。(D)显示CNT核的纤维横截面的SEM图像。

  能量收集对许多人来说是一个新概念,作者将其描述为“对车载电池有吸引力的补充解决方案。”事实上,能量可以从环境光或佩戴者制造的动能中获取——然后存储在像电容器这样的设备中。这是压电材料和摩擦发电机进入领域。然而,在结构设计和生产方面仍然存在挑战,以至于研究人员担心这项新技术的大部分仍然只是“实验室规模的专利”。而该研究团队正在寻找解决方案,他们有创造了一种3D打印摩擦发电机,由丝素蛋白(SF)护套和碳纳米管(CNT)的导电芯组成。

  “所得到的CNT@SF纤维可以排列成大面积网格( >80cm 2),可以达到高达18mW/ m 2的实验功率密度。因此,SF@CNT纤维可能被整合为电子纺织品中的能量收集织物。”研究人员表示,“用于摩擦发电机的3D打印CNT@SF纤维可通过几项重要创新解决长期存在的材料和制造难题。”

  在制造丝素蛋白和碳纳米管墨水时,研究团队将SF和CNT 3D打印成可以用于制造复杂网络的纤维。该方法也可用于将摩擦电纤维与现有织物结合。

  “丝素蛋白油墨可以与高度浓缩的CNT油墨结合,使用同轴喷丝头来制造具有核壳几何形状的CNT@SF纤维。SF和CNT油墨均为剪切稀化,能够有效挤出成独立的纤维。”研究人员表示。

在能量管理智能纺织品的织物上打印基于芯鞘纤维的图案。

  在使用生物相容性商品材料时,研究人员预计纺织工业将有更多选择,特别是因为CNT@SF同轴纤维在可穿戴设备上是无毒的,可以附着在人体皮肤上。SF也可以使用,并且是“非常适合的”,因为它能够与聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)形成摩擦电对。

  研究人员总结说,CNT@SF/ PET-ITO摩擦电对的性能值得注意。“这些器件可以产生高达18mW/ m 2的面功率密度,开路电压为10-80 V时,CNT@SF/ PET的高电压(> 10 V)低电流特性(1-10μA)假设合理的速度为13cm/s,-ITO摩擦发电机可在5分钟内为容量~5μF的电容充电。

  “与其他先前制造的丝基摩擦发电机相比,这些设备具有相当的功率密度,其报告的功率密度为0.194mW/c m 2和4.3mW/ m 2。应该注意的是,结合丝绸与铝背聚酰亚胺,其摩擦电系列中的电子亲和力不同于PET。”

打印油墨及其流变性能(A)丝茧和所得SF油墨的照片。(B)显示SF墨水中的SF微纤维的光学图像。(C)显示高度可注射SF油墨的照片。(D)CNT粉末和CNT油墨的照片。(E)显示CNT良好分散的TEM图像。(F)在其外壁上由聚合物包裹的多壁碳纳米管的TEM图像。插图是放大的图像。(G)作为CNT和SF油墨的剪切速率的函数的表观粘度。(H)作为CNT和SF油墨的剪切应力的函数的储存(G’)和损失(G")模量。(I)挤出后的独立式CNTs@SF芯鞘纤维的照片,显示出两种油墨的良好可纺性。