陕科大马建中教授/闫凯副教授 AFM：新型高效电磁波吸收的多模态可穿戴织物传感器

2024-12-17 来源：高分子科技

近年来，柔性可穿戴电子设备因其广泛的传感能力、快速响应时间及实用性，在健康诊断及人机交互领域展示了巨大潜力。目前，现有织物传感器在抵御电磁波干扰和多机制传感信号整合面临挑战，特别是对佩戴医疗电子植入设备（如人工耳蜗和心脏起搏器）人群的保护显得不足。因此，探索优化电磁波吸收剂的阻抗匹配和多模式传感信号的智能结合具有重要的研究意义。

近日，陕西科技大学闫凯副教授的最新研究成果展示了一种基于中空聚苯胺微球（PHMs）修饰的柔性织物传感器（图1a）。这种传感器通过在棉织物上原位生长聚吡咯（PPy），并结合中空聚苯胺微球和氨基硅烷改性聚氨酯（Si-WPU）的浸涂工艺，不仅赋予织物优异的电磁波吸收性能，还实现了应变、温度及触觉传感的多模态整合（图1b）。这种多模态整合为柔性织物传感器提供了必要的健康防护，同时在人机交互表现出更多的信息交互密度。

图1 (a)织物传感器的制备流程示意图，(b) 织物传感器的特性。

在这项研究工作中，首先通过乳液聚合法得到直径260nm的聚苯乙烯-甲基丙烯酸（PS-MAA）微球，这些微球表面通过静电作用吸附苯胺单体，随后原位聚合形成核-壳结构的PS-MAA@PANI。然后利用DMF刻蚀去除核层，获得壳厚50nm、直径约360 nm的中空微球（图2d）。此外异氰酸酯（IPDI）与多元醇（PTMG）反应形成主链，加入氨基硅烷偶联剂对聚氨酯链段进行扩链改性，获得有机硅改性聚氨酯（Si-WPU）乳液。最后，中空聚苯胺微球和有机硅改性聚氨酯的复合涂层在织物传感器上表现出优秀的摩擦正电性和界面粘附作用。

图2 (a) PHM制备示意图，(b) PS-MAA，(c) PS-MAA@PANI和(d) PHMs的TEM图像。

在织物传感器的制备过程中，吡咯单体在冰浴条件下在原始织物上进行原位聚合，形成均匀的导电层，依次浸涂不同浓度的PHM分散液和Si-WPU乳液，经干燥处理，得到最终的织物传感器（图3a）。这种制备工艺不仅提升了织物的导电性，还使其表面呈现适当的粗糙度，提高了其摩擦正电性。在常规的使用中，织物传感器的接触角高达122°，同时也显示出优异的耐洗涤性、耐弯折性和透气性（图3g-i）。

图3 (a) PPW织物制备过程的示意图，(b) 原始织物、(c) PPy处理后的织物、(d) 浸涂PHMs后的PPy织物和(e) 最终PPW织物的SEM图像，(f) 原始织物与PPy织物的FT-IR光谱图，(g) PPW织物经过0次、5次、10次、15次和20次洗涤后的水接触角，(h) PPW织物在弯曲、折叠和扭曲条件下的对比照片，(i) 透气性测试的对比照片。

为了证明中空聚苯胺微球赋予了织物传感器出色的电磁波吸收性能，同时对多模态传感性能有提高作用，研究人员对不同浓度PHMs的织物传感器的吸波性能、温度、应变和摩擦电性能进行测试。结果显示，中空聚苯胺微球的负载量增加，该织物的反射损耗（RL）响应减少，其峰值达到-48.2 dB，同时最大吸收带宽为4.2 GHz（图4e）。在温度传感过程中，其温度灵敏度高达0.59% K^-1，此外还能实现高灵敏度的运动传感，监测人体各种关节的运动信号。同时通过摩擦纳米发电技术，该织物能在0.3秒内产生高达41 V的电压，将其组装为单电极模式，可以作为触觉传感器对接触的物体进行摩擦电信号检测。

图4 (a) 原始织物、(b) PPy处理后的织物、(c) PPW-10织物、(d) PPW-20织物、(e) PPW-30织物在2–18 GHz范围内反射损耗（RL）的二维图，(f) PPW-30织物的?′-?′′图（介电常数实部与虚部的关系）。

研究人员将织物传感器模块化设计，利用多个人机交互实验验证其传感的灵敏性和准确性。例如基于摩擦纳米发电的触觉传感功能可实现高效的触觉交互，通过检测触碰动作，生成精确的电流信号变化（图5c）。还可以通过手指的弯曲动作，实时捕捉弯曲、应变信号，精准识别点（“·”）和线（“－”）的编码信息（图5d-e）。此外，还可以实时监测织物表面的温度变化，通过LED灯直观显示温度等级。最后将这些功能模块化集成于智能手套等可穿戴设备，可以实现精细化的操作和信息反馈（图5a）。

图5 (a) PPW织物集成在手套中，用于检测多种手部传感信号及与MCU交互的示意图，(b) 用于摩擦纳米发电触觉传感的工作原理，(c) MOSFET栅极在触碰和释放状态下的短路电流，(d) PPW织物形变时间定义的“点”（·）和“线”（—）摩斯码，(e) 表示摩斯密码“Y”、“N”和“K”的相对电阻变化。

以上研究成果以“Hollow Polyaniline Microspheres Decorated Fabric Sensor with Electromagnetic Wave-Absorbing and Multimodal Sensing Toward Human–Machine Interaction”为题，发表在《Advanced Functional Materials》(DOI: 10.1002/adfm.202418071)。陕西科技大学轻工科学与工程学院闫凯副教授为通讯作者，陕西科技大学硕士生王俊为第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金，陕西省重点研发计划项目、咸阳市重点研发计划项目以及西安交通大学助理教授李晓老师的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202418071

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（责任编辑：xu）

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