استفاده از جوهرهای چاپ گرافینی در منسوجات هوشمند

به گزارش سرویس ترجمه نساجی امروز،  پایه و اساس بیشتر اجزای الکترونیکی پوشیدنی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند، یک جسم الکترونیکی سخت می باشد که بر روی پلاستیک، لاستیک یا منسوجات سوار شده است.

 این رایانه های پوشیدنی کاربرد گسترده ای در بخش پوشاک و سلامت برای کنترل وضعیت بدن دارند. این فناوری تا کنون چه با سنسورهای اکتیو و چه غیراکتیو برای جمع آوری داده ها، شاهد موفقیت های زیادی بوده است اما پوشیدن آن مایه زحمت می باشد و همچنین می تواند به آسانی آسیب ببیند. به همین دلیل تحقیقات بیشتر به سمت منسوجات هوشمند سوق پیدا کرده است.

طراحی منسوجات هوشمند به گونه ای است که هم دارای ویژگی های منسوجات استاندارد نظیر راحتی، انعطاف پذیری، دوام، ثبات شستشویی و غیره باشند و هم عملکرد مورد نیاز یک ابزار پوشیدنی را داشته باشند ضمن این که خود منسوج نیز خاصیت رسانایی داشته باشد.

در نتیجه پیشرفت های زیادی در عرصه الیاف رسانا صورت گرفته است که رایج ترین آن استفاده از فلزات و مواد معدنی درون نخ می باشد. البته بافندگی تاری پودی و حلقوی رشته های فلزدار پروسه ای چالش برانگیز و اغلب گران است و در بیشتر موارد نیز از فلزاتی نظیر نقره، مس و طلا استفاده می شود.

به گزارش سرویس ترجمه نساجی امروز،یکی دیگر از عرصه های قابل پیشرفت، چاپ اجزای الکترونیکی بر روی منسوجات است. در این روش از تکنیک های چاپ اسکرین استفاده می شود. در ابتدا یک لایه یا فیلم واسطه را بر روی سطح پارچه می چسبانند و سپس مدار الکترونیکی بر روی آن چاپ می شود تا وجود یک مسیر رسانای دایمی تضمین شود.

جوهرها علاوه بر رسانایی باید الاستیک و انعطاف پذیر هم باشند، همچنین خاصیت ارتجاعی آن ها به حدی باشد که در برابر شستشو و سایش دوام بیاورند. در این عرصه موفقیت های زیادی حاصل شده است هرچند که زیردست، تنفس پذیری و طول عمر همچنان از مسایل چالش برانگیز هستند.

به گزارش سرویس ترجمه نساجی امروز،در نتیجه محققان برروی تنفس پذیری ماده اولیه تمرکز کرده اند. با این کار امکان چاپ یکپارچه ی جوهرهای رسانا و همچنین تولید جوهرهای رسانای چاپ جوهرافشان بر روی منسوجات فراهم می شود که باعث بهبود دقت و زیست سازگاری می گردد.

در این راستا گرافین موفق شده است تا در بین سایر مواد اولیه توجه زیادی را به خود جلب کند. گرافین از زمان کنار گذاشته شدنش در سال 2004 به بعد، مرکز نوآوری های زیادی در صنایع مختلف و از جمله صنایع نساجی بوده است. گفته می شود استحکام این ماده 200 برابر فولاد، انعطاف پذیر و بسیار سبک است، مهم تر از همه این که رسانای الکتریکی و حرارتی بسیار خوبی می باشد برای مثال مانند گرافیت حاوی الکترون های نامتمرکزی است که می توانند آزادانه در ساختار ماده حرکت کنند.

به گزارش سرویس ترجمه نساجی امروز، علاوه بر آن بر اساس تحقیقاتی که در سال 2010 انجام شده بود، گرافین نسبت به سایر فلزات رسانا ارزان تر بوده و سازگاری آن با محیط زیست نیز بیشتر است، همچنین توسط باکتری شوانلا قابل تجزیه زیستی می باشد. 

تحقیق جدید

در اکتبر گذشته مقاله ای تحت عنوان «همه الگوهای چاپ جوهرافشان با جوهر رسانای گرافین برای منسوجات الکترونیکی» توسط موسسه ملی گرافین(NGI) در انگلستان به چاپ رسیده است که راهکارهایی را برای آماده سازی اولیه پارچه های قابل چاپ برای چاپ جوهرافشان توسط نانوذرات ارگانیک و چاپ دیجیتال توسط جوهرهای بر پایه گرافین بر روی منسوجات الکترونیکی تنفس پذیر، راحت و زیست سازگار ارائه می داد.

در این مقاله آمده است: پیدا کردن روشی برای چاپ جوهر افشان بر روی منسوجات توسط جوهرهای رسانا از نظر پیچیدگی در ایجاد یکنواختی و تداوم در مسیرهای رسانا با استفاده از جوهرهای با ویسکوزیته پایین دشوار بوده است. البته در حال حاضر این مشکل برطرف شده است.

به گزارش سرویس ترجمه نساجی امروز، نویسنده ارشد مقاله، دکتر نزمول کریم از موسسه ملی گرافین که واسطه میان صنعت و دانشگاه در زمینه تجاری سازی کاربردهای گرافین هم هست، شرح می دهد که پیشرفت های فوق در پی تحقیق پیرامون روش های زیست سازگار آبگریز کردن منسوجات حاصل شده است. او می گوید: "هدف ما ایجاد یک پوشش فوق آبگریز بر روی منسوجات با استفاده از چاپگرهای جوهرافشان بوده است."

با این حال پروژه فوق به خوبی پیش رفت و پوشش ایجاد شده بر روی پارچه به عنوان یک تکمیل آبگریز موثر واقع شد. کریم می گوید: سطح منسوجات برای ایجاد یک مسیر رسانای مداوم و یکنواخت بر روی آن با استفاده از جوهرهای چاپ جوهرافشان بسیار سخت و متخلخل است چون ویسکوزیته این جوهرها پایین می باشد. ما با روش پلیمریزاسیون امولسیونی نانوذرات را کنار هم قرار دادیم و سپس با استفاده از چاپ جوهرافشان آن ها را بر روی منسوجات چاپ کردیم. پس از آن مسیرهای رسانا را بر روی منسوج از پیش آماده سازی شده چاپ و ایجاد کردیم.

به گزارش سرویس ترجمه نساجی امروز،در روش آماده سازی با نانوذرات موسسه ملی گرافین بر خلاف مثال های قبلی از چاپ جوهرهای رسانا بر روی منسوجات که نخست نیازمند ایجاد یک لایه فیلم نرم بر روی منسوج بود، نانوذرات به جزیی از منسوج تبدیل می شوند و نیازی به ایجاد یک فیلم بر روی سطح منسوج نمی باشد.

در مقاله آمده است: "جوهر rGO یا اکسید گرافین احیا شده حاوی باقیمانده گروه های کربوکسیل یا هیدروکسیل بوده که ممکن است با گروه های هیدروکسیل الیاف سلولزی تشکیل اتصالات هیدروژنی دهند."

اگرچه آماده سازی اولیه به طور ذاتی دارای خاصیت آبگریزی است که می تواند با جوهرهای بر پایه آب ناسازگار باشد اما کریم عقیده دارد که مشکلی پیش نخواهد آمد. او می گوید: "آماده سازی توسط گروه های هیدروکسیل عملی می شود، این گروه ها با گروه های هیدروکسیل باقیمانده در اکسید گرافین احیا شده اتصالات عرضی ایجاد می کنند.

علت استفاده از حلال بر پایه آب به جای سایر حلال ها، زیست سازگار بودن آن است. در واقع اندکی آبگریزی به ایجاد یک مسیر رسانای مداوم کمک می کند و باعث می شود گرافین به جای رفتن به داخل ساختار منسوج بر روی سطح آن باقی بماند. زمانی که آن را خشک کنید آب نیز تبخیر خواهد شد."

به دلیل اندازه نانوذرات می توان آن ها را به آسانی از درون هد چاپ عبور داد. کریم افزود: "برای چاپ جوهرافشان تصحیح ویسکوزیته و کشش سطحی لازم است. ما به روش پلیمریزاسیون امولسیونی نانوذرات را ایجاد کردیم و ویسکوزیته و کشش سطحی آن را بر حسب نیاز موجود تغییر دادیم تا درون نازل ها گیر نکند. اندازه نانوذرات مورد استفاده nm63 بوده است."

در این تحقیق از هد چاپ Fujifilm Dimatix استفاده شده است که سایز نازل آن 5/21 میکرون می باشد. کریم گفت: اندازه ی پیشنهادی برای ذرات یک پنجاهم قطر نازل است. این بدان معنا نیست که امکان چاپ با اندازه بزرگ تر وجود ندارد، خود جوهر گرافینی حاوی ذرات بزرگ تری است اما سایز نانو ذرات بسیار کمتر می باشد.

جوهر چاپ

تیم تحقیقاتی پس از انجام یک آماده سازی مناسب شروع به آزمایش با جوهر نقره کردند اما قیمت بالا و ترکیبات این جوهر باعث شد تا آن را با گرافین جایگزین کنند. کریم می گوید: "نقره یک جوهر فلزی است، جوهرهای فلزی دیگری نیز وجود دارد مانند مس که خیلی سریع اکسید می شود، زیست تجزیه پذیر نیست و البته گران هم هست.

به علاوه شرایط استفاده از جوهرهای فلزی دمای بالاست تا بتوان آن ها را بر روی لایه مورد نظر تثبیت کرد. در نتیجه ما از جوهرهای گرافینی استفاده کرده ایم که به صورت بالقوه سازگاری بیشتری هم با محیط زیست دارد."

در مقاله آمده است که این جوهرها که اکسید گرافین احیا شده هستند، به دلیل اتصالات هیدروژنی بین گروه های هیدروکسیل در پنبه و گروه های حاوی اکسیژن باقیمانده در اکسید گرافین احیا شده، پتانسیل تولید منسوجات الکترونیکی رسانا و قابل شستشو را دارا هستند.

به گزارش سرویس ترجمه نساجی امروز، این فناوری بر روی پنبه، ترکیبات پنبه ای و پلی استر آزمایش شده است اما کریم انتظار دارد که روش آماده سازی اولیه و جوهرهای اکسید گرافین احیا شده تقریبا برای تمامی پارچه ها مناسب باشد.

اکسید گرافین به خودی خود قابل دسترس است اما حالت احیا شده آن در بازار وجود ندارد. اکسید گرافین احیا شده را به روش های مختلفی می توان تهیه کرد ولی نکته مهم اینجاست که ساختار آن باید تا حد ممکن به گرافین طبیعی و دست نخورده نزدیک باشد تا رسانایی آن حفظ شود. محققان موسسه ملی گرافین از ویتامین سی برای احیای اکسید گرافین استفاده کرده اند که دوستداری محیط زیست نیز هست.

در مقاله آمده است: "در این روش ما برای احیای شیمیایی اکسید گرافین از یک ماده سبز و موثر به عنوان عامل احیا کننده یعنی ویتامین سی استفاده می کنیم و تثبیت آن نیز توسط پلی وینیل الکل انجام می شود. مایعات حاصل در شرایط محیط تا بیش از شش ماه ته نشین نخواهند شد. پس از احیای اکسید گرافین، ساختار و خواص گرافین تا اندازه ای حفظ می شود البته احیای کامل و حفظ تمام ویژگی های گرافین دشوار است."

کریم اضافه کرد که اکسید گرافین احیا شده تنها یک مسیر رساناست و نمی توان از آن برای چاپ سنسورهای غیراکتیو نظیر RFID(سامانه بازشناسی با امواج رادیویی) استفاده کرد. در این مقاله سنسور ضربان قلب به عنوان مثال کاربردی ارائه شده است که در آن الکترودهای گرافینی چاپ شده به عنوان یک سنسور خازنی عمل می کنند. این الکترودها به یک سنسور ECG (الکتروکاردیوگرافی) متصل است که وظیفه آن جمع آوری و انتقال داده های جمع آوری شده از طریق روش های ارتباطی بی سیم نظیر بلوتوث می باشد.

به گزارش سرویس ترجمه نساجی امروز، کریم گفت اگر شما تی شرتی با الکترودهای چاپ شده بر روی آن داشته باشید، شما در واقع دو مسیر رسانا دارید یکی بدنتان(که مقدار کمی الکتریسیته را هدایت می کند) و دیگری گرافین رسانای چاپ شده بر روی تی شرت و در این بین هوا و پارچه هم وجود دارد که به عنوان یک لایه عایق عمل می کنند.

اگرچه این تحقیق گامی به جلو در راستای کاربردهای چاپ جوهرافشان بر روی منسوجات و منسوجات هوشمند است اما محدودیت هایی نیز دارد. کریم می گوید آماده سازی اولیه نیازمند به کارگیری لایه هایی بر روی پارچه است که وقت گیر می باشد و همچنین سرعت چاپ گرافین هم پایین است.

سختی پارچه پس از آماده سازی و ثبات مالشی آن نیز باید مورد آزمایش قرار گیرد. البته تیم تحقیقاتی ثبات شستشویی پارچه چاپ شده با اکسید گرافین احیا شده را نیز مورد بررسی قرار داده اند. کریم می گوید: "پس از شستشو مقداری از گرافین تثبیت نشده ی موجود بر روی سطح پارچه از بین می رود که چندان هم جای تعجب ندارد، در نتیجه ما برای بهبود ثبات شستشویی پیشنهاداتی را ارائه داده ایم. شما می توانید با استفاده از مواد شیمیایی بسته بندی شده پارچه را بشویید بدون آن که تغییری در آن حاصل شود. در نتیجه انجام یک فرایند تکمیلی بعدی می تواند گام بعدی ما باشد. ما در حال حاضر اختراع خود را در این زمینه ثبت کرده ایم و اگر شرکتی مشتاق به فعالیت است با او همکاری خواهیم کرد."

به گزارش سرویس ترجمه نساجی امروز، دکتر ربابه قرایی، تحلیلگر نوآوری در مواد اولیه در WTiN در یک جمع بندی کلی می گوید: "جوهرهای قابل چاپ بر پایه گرافین و سایر مواد اولیه دو بعدی با خواص الکتریکی، مکانیکی، نوری و حرارتی منحصر به فرد در عرصه ابزار الکترونیکی قابل چاپ پتانسیل بسیار خوبی از خود نشان داده و امکان تولید تجهیزاتی نظیر ترانزیستورهای فیلم نازک، حسگرهای نوری، حسگرها، ابرخازن ها، جاذب های اشباع پذیر و سلول های خورشیدی را فراهم کرده اند.

تولید مواد اولیه و روش هایی برای چاپ جوهرافشان مواد اولیه دو بعدی نظیر گرافین می تواند انقلابی در عرصه چاپ ابزار الکترونیکی به ویژه بر روی سطح منسوجات در فناوری های پوشیدنی ایجاد کند."