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Los calentadores portátiles son muy deseables para ambientes de baja temperatura. Sin embargo, el desafío fundamental para lograr tales dispositivos es diseñar membranas de calentamiento eléctrico con propiedades flexibles, transpirables y estirables.
Estudio: Producción a gran escala de elastómeros a base de propileno micro-nanofibrosos y esponjosos/[email protected] Membranas de nanoplacas con propiedades transpirables y flexibles para calentadores portátiles estirables. Crédito de la foto: s_maria/Shutterstock.com
Un estudio publicado en Interfaces y materiales aplicados de ACS tuvo como objetivo lograr una membrana de calentamiento eléctrico con una textura esponjosa nanofibrosa y excelentes propiedades de calentamiento eléctrico. Aquí, se fabricó una membrana de calefacción eléctrica recubriendo un elastómero soplado en fusión a base de propileno (PBE) con películas de nanoplacas de poliuretano (PU) y grafeno a través de un método simple, económico y a gran escala que involucra un proceso de ciclo de compresión de recubrimiento.
Las membranas de PBE recubiertas con PU y la película de nanoplacas de grafeno se analizaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). Las imágenes mostraron la deposición uniforme de PU y películas de nanoplacas de grafeno en la superficie de micronanofibras de PBE, formando canales conductores interconectados.
La temperatura subió a 69,7 grados centígrados cuando se aplicó un voltaje de 36 voltios a la membrana de PBE recubierta con PU y una película de nanoplaca de grafeno, lo que indica excelentes propiedades de calentamiento eléctrico. Además, los ciclos de recubrimiento-compresión regularon la porosidad de la membrana de calefacción eléctrica fabricada.
Debido a los canales conductores, las membranas de PBE recubiertas con PU y película de nanoplacas de grafeno mostraron propiedades favorables, tales como B. una permeabilidad al aire regulada entre 212 y 60,2 milímetros por segundo, una tasa de recuperación elástica del 85,5% y un valor de blandura de 53,8.
El estudio presenta membranas de PBE recubiertas con PU y películas de nanoplacas de grafeno como materiales prometedores para tejidos de calefacción eléctrica. Además, el proceso de fabricación cíclico de revestimiento y compresión permite una fácil ampliación para la fabricación industrial.
Nanoláminas de grafeno para dispositivos portátiles
Las membranas de calentamiento eléctrico con características livianas, suaves y delgadas y fuentes de calor incorporadas son muy deseables en ambientes de baja temperatura para evitar efectos nocivos en la salud humana. Estas membranas de calentamiento eléctrico convierten la energía eléctrica en calor y, por lo tanto, respaldan la gestión del calor personal.
Aunque se han estudiado tales dispositivos portátiles basados en membranas de calentamiento eléctrico, la flexibilidad insuficiente y la escasa permeabilidad al aire de las membranas convencionales limitan su aplicación.
Las nanoláminas de grafeno son materiales estructurados con carbono bidimensionales (2D) con planos de grafito de una o varias capas y propiedades atractivas que incluyen alta conductividad eléctrica, módulo, resistencia, conductividad térmica y área de superficie específica.
Recientemente, se informó que la funcionalización basada en nanoláminas de grafeno es un método prometedor para impartir conductividad eléctrica a los textiles inteligentes producidos industrialmente. Este método es adaptable a varios materiales disponibles comercialmente, como el algodón y el poliéster, ya que las nanoláminas de grafeno se producen en grandes cantidades adecuadas para el mercado textil.
Aunque las nanoláminas de grafeno tienen un buen potencial para aplicaciones en tejidos inteligentes, su principal limitación es la dificultad de unir las nanoláminas de grafeno a los textiles y garantizar su estabilidad al lavado y durabilidad. Como resultado, se requieren soluciones inteligentes para unir de manera efectiva las nanoláminas de grafeno a las telas para expandir su potencial en la electrónica textil y portátil.
Nanoláminas de PU y grafeno para dispositivos portátiles
Se han desarrollado varias membranas de micronanofibras basadas en nanomateriales de carbono utilizando varios métodos avanzados, como el electrohilado, el soplado en fusión y el soplado en solución. Estas membranas son porosas y facilitan la penetración de líquidos y gases.
Se han utilizado elastómeros termoplásticos que incluyen PU, copolímero de estireno-etileno/butileno-estireno y PBE para fabricar membranas de micronanofibras estirables mediante el proceso de fusión. Sin embargo, estos polímeros tienen poca compatibilidad con el grafeno inorgánico.
Aunque el método de recubrimiento es un enfoque económico y fácil para unir el grafeno a las fibras, el uso de este método para fabricar membranas de calentamiento eléctrico con propiedades flexibles, transpirables y elásticas permanece prácticamente inexplorado.
En el presente estudio, se informó sobre un método sencillo para la producción a gran escala de membranas de calentamiento eléctrico mediante el recubrimiento de membranas de micronanofibras de PBE con películas de nanoplacas de PU y grafeno. Las membranas de calentamiento eléctrico preparadas se analizaron mediante SEM y las imágenes resultantes revelaron una distribución uniforme de PU y nanoplacas de grafeno en micronanofibras de PBE.
Estas membranas de calentamiento eléctrico tenían buena permeabilidad al aire, excelente rendimiento de calentamiento y excelente suavidad, lo que indica el potencial del proceso del ciclo de recubrimiento-compresión para producir las membranas elásticas de micronanofibras deseadas para su uso potencial en tejidos portátiles de calentamiento eléctrico.
Por otro lado, una ligera pendiente en las curvas tensión-deformación implica una alta elasticidad y fácil deformabilidad. Además, la resistencia eléctrica de las membranas de calefacción eléctrica diseñadas disminuyó de 2569,5 a 278,9 ohmios por 5 centímetros con el aumento del recubrimiento, lo que indica una excelente función de calefacción eléctrica.
Conclusión
En resumen, las membranas de PBE depositadas con PU y películas de nanoplacas de grafeno se presentaron como membranas de calentamiento eléctrico fabricadas a través de ciclos de recubrimiento-compresión simples y escalables. La caracterización SEM confirmó el relleno uniforme de los espacios entre las micronanofibras de PBE por PU y las nanoláminas de grafeno, que está regulado por el número de ciclos de compresión del recubrimiento para controlar el relleno sólido por unidad de masa.
En este estudio, los investigadores presentan membranas de PBE recubiertas con película de PU y nanohojas de grafeno como materiales prometedores para su aplicación como fuentes de calor en telas como ropa resistente al frío, ropa para motocicletas y ropa para el cuidado de la salud.
Relación
Zhang, H. et al. (2022) Producción a gran escala de elastómeros a base de propileno micronanofibrosos y esponjosos /[email protected] Membranas de nanoplacas con propiedades transpirables y flexibles para calentadores portátiles estirables. Interfaces y materiales aplicados de ACS. https://doi.org/10.1021/acsami.2c15449
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