北京化工大学杨丹教授团队 AFM：兼具高效热管理和优异电磁干扰屏蔽性能的纤维素基可穿戴传感器

2024-03-19 来源：高分子科技

可穿戴传感技术因传感范围宽、响应/恢复时间快、与人体皮肤完美贴合等优点，在智慧医疗和智能机器人等多个领域受到广泛关注。然而，多功能集成的可穿戴传感器因其电子元器件容易产生热量积累，具有较低的可靠性和较短的使用寿命。此外，可穿戴传感器不可避免会产生电磁辐射，从而对人体健康造成不可逆的损害。因此，设计兼具高效热传导和优异电磁干扰屏蔽性能的可穿戴传感器迫在眉睫。

纤维素纳米纤维（CNFs）来源于丰富的天然生物质资源，因其重量轻、机械强度高、生物降解性好而被广泛用于功能器件。北京化工大学杨丹教授团队首先采用单宁酸和硅烷偶联剂修饰石墨烯纳米片（mGNPs），然后通过静电自组装及真空抽滤将其取向分散在CNFs中，进一步通过热压制备出石墨烯纳米片密实层状分布的复合材料（CNF/G）。所制备的纤维素基复合材料中，mGNPs沿CNFs取向分布并与其紧密连接，形成类似人类神经系统的结构，从而导致复合材料的面内导热率高达136.2 W/(m·K)，电磁干扰屏蔽效率达到105 dB。同时该复合材料还具有出色的拉伸强度（39.88 MPa）和焦耳加热温度（141.1°C）。将所制备的纤维素基复合材料组装成摩擦电效应传感器，不仅可以实时监测人体运动，还可以帮助患者利用莫斯密码与医生进行远程交流，从而建立医患间人机交互系统。更为重要的是，该纤维素基传感器具有优异的循环稳定性能，在未来柔性电子产品、智慧机器人、个性化医疗通信等领域将具有巨大的应用潜力。

图1. CNF/G复合材料的制备路线图及功能示意图。

图2.mGNPs的微观结构和性能。

图3. CNF/G复合材料的微观结构和机械性能。

图4. CNF/G复合材料的热性能。

图5. CNF/G复合材料的电磁屏蔽性能。

图6. CNF/G复合材料基摩擦电传感器的性能表征。

图7.基于CNF/G复合材料摩擦电传感器的人机交互系统。

相关工作以“Human Nervous System Inspired Modified Graphene Nanoplatelets/Cellulose Nanofibers-Based Wearable Sensors with Superior Thermal Management and Electromagnetic Interference Shielding”为题发表在Advanced Functional Materials（10.1002/adfm.202315851）上。论文第一作者为北京化工大学材料科学与工程学院硕士研究生朱子娟，通讯作者为北京化工大学杨丹教授。该论文得到了国家自然科学基金和中央高校基础研究基金的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202315851

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（责任编辑：xu）

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