西安工程大学刘呈坤教授团队 Nano Energy：具有高灵敏度和良好的循环稳定性的纤维基可视化应变传感器及其应用

2024-10-04 来源：高分子科技

随着智能可穿戴技术的发展，基于纤维的柔性应变传感器具有优异的拉伸和耐弯折性能，可与人体皮肤无缝贴合，从而实现对人体运动的实时监测。将柔性应变传感器与可视化功能相结合制备的柔性可视化应变传感器可以更直观的通过其颜色的变化监测人体运动。构建具有低驱动电压、温度快速响应、高发热温度、发热稳定的电发热层是当前制备优良可视化应变传感器的关键。目前纤维基可视化应变传感器促使纤维变色的驱动电压较高，而且灵敏度也较低。

基于此，西安工程大学刘呈坤教授团队联合新加坡国立大学Seeram Ramakrishna团队通过湿法纺丝、原位聚合和超声浸渍的方法成功地制备了纳米碳粉（NCPs）/银纳米颗粒（AgNPs）@羧基化碳纳米管（MWCNTs-COOH）/聚氨酯（PU）（NAMP）纤维基可视化应变传感器，该传感器兼具良好的传感性能、低电压发热性能和可视化功能，可用于人体健康监测与热疗管理治疗。

如图1a所示，首先通过湿法纺丝的方法制备基底层MWCNTs-COOH/PU（MP）纤维，然后将原位聚合AgNPs和超声浸渍NCPs技术结合电发热层NAMP纤维。最后将NAMP纤维晾干后涂覆变色油墨作为热致变色层，成功地制备了NAMP纤维基可视化应变传感器。同时，将该传感器作为衬纬纱编织进针织物中，制备成兼具可视化应变传感功能和电加热功能的织物。在原位聚合生成AgNPs过程中，采用L-抗坏血酸还原Ag⁺，代替水合肼、甲醛等有毒的还原剂，具有良好的绿色环保性（图1b）。

图1 NAMP纤维基可视化应变传感器的制备流程

图2 MP和NAMP纤维的表征和元素分布

如图2所示，MP纤维多孔和凹槽结构的存在可以增加纤维的比表面积，有助于提高AgNPs和NCPs的负载量。由于NCPs的平均直径（30 nm）小于AgNPs的平均直径（310 nm），NCPs可以填补NAMP纤维上AgNPs之间的微裂纹，增加纤维的导电路径数量，使导电通路更加完整，从而提高MP纤维的导电性传感性能。

图3 NAMP纤维的力学性能和电学性能

探究了不同NCPs浓度对NAMP纤维强力、电阻率的影响，并分析了纤维的导电机理（图3a-e）。此外，测试了NAMP纤维在不同捻度、温度和弯曲角度条件下的抗干扰性，结果表明，纤维的电阻信号几乎不受外界因素的干扰（图3f-i）。

图4 NAMP纤维基可视化应变传感性的传感性能

如图4所示，制备的NAMP纤维基可视化应变传感器具有高灵敏度（GF=3528）、宽应变范围（0～107%）、快速的响应时间（0.14s）和优异的循环稳定性（超过5000次循环）。

图5 NAMP纤维基可视化应变传感器的在健康监测中的应用

如图5a-f所示，NAMP纤维基可视化应变传感器能够实时监测身体不同部位的运动。此外，该传感器既能够在低电压的激发下使其颜色变化迅速且可逆，0～2.5 V时纤维表面温度从27.8 °C升高到75.2 °C，又能够实现拉伸变形下的颜色变化，具有良好的可视化功能（5g, h）。

图6 NAMP纤维在热管理和除冰中的电热应用

如图6a-e所示，NAMP纤维在不同应变和反复弯曲条件下，纤维表面温度基本不变，表明其具有优异的电致发热性能和发热稳定性。将其以衬纬组织的形式织入针织物中，制备可调温度的电致发热织物，可用于人体热管理治疗和除冰（6f-h）。

该工作以“Wearable fiber-based visual strain sensors with high sensitivity and excellent cyclic stability for health monitoring and thermal management”为题发表在期刊《Nano Energy》上（一区top，IF=16.8）。通讯作者为西安工程大学刘呈坤教授，共同通讯作者为新加坡国立大学Seeram Ramakrishna教授和西安工程大学张振方博士。
该研究工作得到了国家自然科学基金项目和陕西省创新能力支持计划等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110300

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（责任编辑：xu）

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