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陜科大馬建中教授/閆凱副教授 AFM：新型高效電磁波吸收的多模態(tài)可穿戴織物傳感器
2024-12-17  來源：高分子科技

  近年來，柔性可穿戴電子設(shè)備因其廣泛的傳感能力、快速響應(yīng)時(shí)間及實(shí)用性，在健康診斷及人機(jī)交互領(lǐng)域展示了巨大潛力。目前，現(xiàn)有織物傳感器在抵御電磁波干擾和多機(jī)制傳感信號(hào)整合面臨挑戰(zhàn)，特別是對(duì)佩戴醫(yī)療電子植入設(shè)備（如人工耳蝸和心臟起搏器）人群的保護(hù)顯得不足。因此，探索優(yōu)化電磁波吸收劑的阻抗匹配和多模式傳感信號(hào)的智能結(jié)合具有重要的研究意義。


  近日，陜西科技大學(xué)閆凱副教授的最新研究成果展示了一種基于中空聚苯胺微球（PHMs）修飾的柔性織物傳感器（圖1a）。這種傳感器通過在棉織物上原位生長聚吡咯（PPy），并結(jié)合中空聚苯胺微球和氨基硅烷改性聚氨酯（Si-WPU）的浸涂工藝，不僅賦予織物優(yōu)異的電磁波吸收性能，還實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變、溫度及觸覺傳感的多模態(tài)整合（圖1b）。這種多模態(tài)整合為柔性織物傳感器提供了必要的健康防護(hù)，同時(shí)在人機(jī)交互表現(xiàn)出更多的信息交互密度。


圖1 (a)織物傳感器的制備流程示意圖，(b) 織物傳感器的特性。


  在這項(xiàng)研究工作中，首先通過乳液聚合法得到直徑260nm的聚苯乙烯-甲基丙烯酸（PS-MAA）微球，這些微球表面通過靜電作用吸附苯胺單體，隨后原位聚合形成核-殼結(jié)構(gòu)的PS-MAA@PANI。然后利用DMF刻蝕去除核層，獲得殼厚50nm、直徑約360 nm的中空微球（圖2d）。此外異氰酸酯（IPDI）與多元醇（PTMG）反應(yīng)形成主鏈，加入氨基硅烷偶聯(lián)劑對(duì)聚氨酯鏈段進(jìn)行擴(kuò)鏈改性，獲得有機(jī)硅改性聚氨酯（Si-WPU）乳液。最后，中空聚苯胺微球和有機(jī)硅改性聚氨酯的復(fù)合涂層在織物傳感器上表現(xiàn)出優(yōu)秀的摩擦正電性和界面粘附作用。


圖2 (a) PHM制備示意圖，(b) PS-MAA，(c) PS-MAA@PANI和(d) PHMs的TEM圖像。


  在織物傳感器的制備過程中，吡咯單體在冰浴條件下在原始織物上進(jìn)行原位聚合，形成均勻的導(dǎo)電層，依次浸涂不同濃度的PHM分散液和Si-WPU乳液，經(jīng)干燥處理，得到最終的織物傳感器（圖3a）。這種制備工藝不僅提升了織物的導(dǎo)電性，還使其表面呈現(xiàn)適當(dāng)?shù)拇植诙，提高了其摩擦正電性。在常?guī)的使用中，織物傳感器的接觸角高達(dá)122°，同時(shí)也顯示出優(yōu)異的耐洗滌性、耐彎折性和透氣性（圖3g-i）。


圖3 (a) PPW織物制備過程的示意圖，(b) 原始織物、(c) PPy處理后的織物、(d) 浸涂PHMs后的PPy織物和(e) 最終PPW織物的SEM圖像，(f) 原始織物與PPy織物的FT-IR光譜圖，(g) PPW織物經(jīng)過0次、5次、10次、15次和20次洗滌后的水接觸角，(h) PPW織物在彎曲、折疊和扭曲條件下的對(duì)比照片，(i) 透氣性測(cè)試的對(duì)比照片。


  為了證明中空聚苯胺微球賦予了織物傳感器出色的電磁波吸收性能，同時(shí)對(duì)多模態(tài)傳感性能有提高作用，研究人員對(duì)不同濃度PHMs的織物傳感器的吸波性能、溫度、應(yīng)變和摩擦電性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示，中空聚苯胺微球的負(fù)載量增加，該織物的反射損耗（RL）響應(yīng)減少，其峰值達(dá)到-48.2 dB，同時(shí)最大吸收帶寬為4.2 GHz（圖4e）。在溫度傳感過程中，其溫度靈敏度高達(dá)0.59% K-1，此外還能實(shí)現(xiàn)高靈敏度的運(yùn)動(dòng)傳感，監(jiān)測(cè)人體各種關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。同時(shí)通過摩擦納米發(fā)電技術(shù)，該織物能在0.3秒內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)41 V的電壓，將其組裝為單電極模式，可以作為觸覺傳感器對(duì)接觸的物體進(jìn)行摩擦電信號(hào)檢測(cè)。


圖4 (a) 原始織物、(b) PPy處理后的織物、(c) PPW-10織物、(d) PPW-20織物、(e) PPW-30織物在2–18 GHz范圍內(nèi)反射損耗（RL）的二維圖，(f) PPW-30織物的?′-?′′圖（介電常數(shù)實(shí)部與虛部的關(guān)系）。


  研究人員將織物傳感器模塊化設(shè)計(jì)，利用多個(gè)人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其傳感的靈敏性和準(zhǔn)確性。例如基于摩擦納米發(fā)電的觸覺傳感功能可實(shí)現(xiàn)高效的觸覺交互，通過檢測(cè)觸碰動(dòng)作，生成精確的電流信號(hào)變化（圖5c）。還可以通過手指的彎曲動(dòng)作，實(shí)時(shí)捕捉彎曲、應(yīng)變信號(hào)，精準(zhǔn)識(shí)別點(diǎn)（“·”）和線（“－”）的編碼信息（圖5d-e）。此外，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)織物表面的溫度變化，通過LED燈直觀顯示溫度等級(jí)。最后將這些功能模塊化集成于智能手套等可穿戴設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的操作和信息反饋（圖5a）。


圖5 (a) PPW織物集成在手套中，用于檢測(cè)多種手部傳感信號(hào)及與MCU交互的示意圖，(b) 用于摩擦納米發(fā)電觸覺傳感的工作原理，(c) MOSFET柵極在觸碰和釋放狀態(tài)下的短路電流，(d) PPW織物形變時(shí)間定義的“點(diǎn)”（·）和“線”（—）摩斯碼，(e) 表示摩斯密碼“Y”、“N”和“K”的相對(duì)電阻變化。


  以上研究成果以“Hollow Polyaniline Microspheres Decorated Fabric Sensor with Electromagnetic Wave-Absorbing and Multimodal Sensing Toward Human–Machine Interaction”為題，發(fā)表在《Advanced Functional Materials》(DOI: 10.1002/adfm.202418071)。陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院閆凱副教授為通訊作者，陜西科技大學(xué)碩士生王俊為第一作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金，陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、咸陽市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目以及西安交通大學(xué)助理教授李曉老師的支持。


  文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202418071

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