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北京化工大學(xué)楊丹教授團(tuán)隊(duì) AFM：兼具高效熱管理和優(yōu)異電磁干擾屏蔽性能的纖維素基可穿戴傳感器
2024-03-19  來源：高分子科技

  可穿戴傳感技術(shù)因傳感范圍寬、響應(yīng)/恢復(fù)時間快、與人體皮膚完美貼合等優(yōu)點(diǎn)，在智慧醫(yī)療和智能機(jī)器人等多個領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而，多功能集成的可穿戴傳感器因其電子元器件容易產(chǎn)生熱量積累，具有較低的可靠性和較短的使用壽命。此外，可穿戴傳感器不可避免會產(chǎn)生電磁輻射，從而對人體健康造成不可逆的損害。因此，設(shè)計兼具高效熱傳導(dǎo)和優(yōu)異電磁干擾屏蔽性能的可穿戴傳感器迫在眉睫。


  纖維素納米纖維（CNFs）來源于豐富的天然生物質(zhì)資源，因其重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、生物降解性好而被廣泛用于功能器件。北京化工大學(xué)楊丹教授團(tuán)隊(duì)首先采用單寧酸和硅烷偶聯(lián)劑修飾石墨烯納米片（mGNPs），然后通過靜電自組裝及真空抽濾將其取向分散在CNFs中，進(jìn)一步通過熱壓制備出石墨烯納米片密實(shí)層狀分布的復(fù)合材料（CNF/G）。所制備的纖維素基復(fù)合材料中，mGNPs沿CNFs取向分布并與其緊密連接，形成類似人類神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱率高達(dá)136.2 W/(m·K)，電磁干擾屏蔽效率達(dá)到105 dB。同時該復(fù)合材料還具有出色的拉伸強(qiáng)度（39.88 MPa）和焦耳加熱溫度（141.1°C）。將所制備的纖維素基復(fù)合材料組裝成摩擦電效應(yīng)傳感器，不僅可以實(shí)時監(jiān)測人體運(yùn)動，還可以幫助患者利用莫斯密碼與醫(yī)生進(jìn)行遠(yuǎn)程交流，從而建立醫(yī)患間人機(jī)交互系統(tǒng)。更為重要的是，該纖維素基傳感器具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能，在未來柔性電子產(chǎn)品、智慧機(jī)器人、個性化醫(yī)療通信等領(lǐng)域?qū)⒕哂?/span>巨大的應(yīng)用潛力。 


圖1. CNF/G復(fù)合材料的制備路線圖及功能示意圖。


圖2.mGNPs的微觀結(jié)構(gòu)和性能。


圖3. CNF/G復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。


圖4. CNF/G復(fù)合材料的熱性能。


圖5. CNF/G復(fù)合材料的電磁屏蔽性能。


圖6. CNF/G復(fù)合材料基摩擦電傳感器的性能表征。


圖7.基于CNF/G復(fù)合材料摩擦電傳感器的人機(jī)交互系統(tǒng)。


  相關(guān)工作以“Human Nervous System Inspired Modified Graphene Nanoplatelets/Cellulose Nanofibers-Based Wearable Sensors with Superior Thermal Management and Electromagnetic Interference Shielding”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials（10.1002/adfm.202315851）上。論文第一作者為北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生朱子娟，通訊作者為北京化工大學(xué)楊丹教授。該論文得到了國家自然科學(xué)基金和中央高校基礎(chǔ)研究基金的資助。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202315851

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