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東華大學廖耀祖/呂偉課題組《Mater. Horiz.》: 競爭性質子捕獲策略構筑高靈敏可穿戴應變傳感器用抗凍有機水凝膠纖維
2023-06-14  來源:高分子科技

  近年來,可穿戴應變傳感器作為一種將應變轉換為電信號的電子器件,在人體運動監(jiān)測、健康管理和人機交互等領域得到廣泛關注。有機水凝膠纖維不僅具有傳統(tǒng)水凝膠柔軟、高彈、生物相容性好的優(yōu)點,同時具有在極端環(huán)境下穩(wěn)定運行的特點,在可穿戴應變傳感器領域展現(xiàn)出了一定的應用前景。然而,因有機水凝膠中離子均勻分布的特點,在小形變和低溫下具有不理想的傳感檢測性能,這極大地阻礙了其在實際中的應用。



1有機水凝膠纖維制備工藝示意圖、纖維成品展示


  針對以上問題,近日,東華大學材料科學與工程學院、纖維材料改性國家重點實驗室廖耀祖/呂偉課題組在國際知名期刊Materials Horizons發(fā)表題為“Competitive proton-trapping strategy enhanced anti-freezing organohydrogel fibers for high-strain-sensitivity wearable sensors”的研究論文(DOI: 10.1039/D3MH00459G)。該研究設計了一種競爭性質子捕獲策略,通過簡單的一步凍融過程,采用苯胺四聚體(TANI,一類具有聚苯胺最短活性結構單元且溶液可加工的剛性低聚物)作為競爭性的質子捕獲劑,與柔性聚乙烯醇(PVA)物理交聯(lián),構筑了一類新型高性能可穿戴應變傳感器的防凍有機水凝膠纖維(PTOH)。得益于不均勻分布的電荷載流子、增加了的質子傳遞活化能和易斷裂的質子遷移路徑,所制備的PTOH纖維在-40℃下表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感性能,在200-300%的應變下應變系數(shù)高達24.6。此外,TANIPVA鏈之間氫鍵的存在賦予了PTOH高的拉伸強度(1.96 MPa)和韌性(8.0 MJ m-3)。因此,由PTOH纖維和針織紡織品制成的應變傳感器可以快速靈敏地監(jiān)測人體運動,證明了其作為可穿戴防凍各向異性應變傳感器的潛力。


  研究人員通過對含不同TANI濃度的有機水凝膠纖維進行電導率測試與傳感性能測試,發(fā)現(xiàn)電導率隨TANI含量的增加而下降,說明TANI起到了捕獲質子作用。在室溫下可以看到PTOH水凝膠纖維具有優(yōu)異的傳感性能,應變從2%300%電阻信號呈線性變化,且具有快速響應性和耐用性。


 2 室溫下PTOH纖維電導率以及傳感性能


  對其進行-40oC超低溫下性能測試可看到PTOH纖維不僅具有良好的機械性能和離子導電性,其傳感性能更為突出。其原因是零度以下溫度范圍內質子遷移的活化能小于0.4 eV,是典型的Grotthuss機制,質子通過HO, NH氫鍵以及H-ON-H共價鍵的鍵振動進行跳躍傳遞。在拉伸過程中,由于TANI剛性鏈和PVA柔性鏈的差異,TANI、EGPVA之間動態(tài)氫鍵(作為質子遷移的通道)易斷裂,因此導致低溫下的應變系數(shù)增加。 


低溫下PTOH纖維性能表征


  對PTOH纖維進行人體運動實時監(jiān)測,如手指、手腕和脈搏等。均可觀察到明顯且穩(wěn)定的電阻變化,甚至是-40 oC下。并且不同方向輸出信號的顯著差異表明了纖維在檢測各個方向應變方面的獨特能力。將纖維編織成紡織品后,所制備的應變傳感器也可對脈沖跳動進行監(jiān)測。 


4 PTOH纖維人體活動監(jiān)測


  廖耀呂偉為該論文共同通訊作者,材料科學與工程學院2021級碩士生陳竹君和2021級博士生劉賀為論文的共同第一作者。上述研究得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃項目、上海市學術帶頭人計劃、上海市曙光計劃、上海市自然科學基金以及騰飛科技股份有限公司的經(jīng)費支持。


  原位鏈接:https://doi.org/10.1039/D3MH00459G

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(責任編輯:xu)
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