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西安工程大學(xué)樊威/曼徹斯特大學(xué)李翼團隊 ACS Nano:一種抗汗液干擾、高靈敏有機半導(dǎo)體纖維體溫傳感器
2023-10-26  來源:高分子科技

  體溫是指身體的內(nèi)部溫度。相對恒定的體溫是維持人體正常生命活動的重要條件之一。正常人的腋窩溫度為36.2?37.2°C。體溫超過41°C或低于25°C可能會對身體系統(tǒng)的功能,特別是神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響,甚至可能威脅生命。2021年在中國甘肅舉行的馬拉松100公里越野賽中,有21名參賽者因天氣突然變化而導(dǎo)致體溫過低而死亡。人體對體溫的正常調(diào)節(jié)可因各種疾病而受損,從而導(dǎo)致體溫變化。因此,密切監(jiān)測體溫并關(guān)注體溫變化可以幫助診斷和預(yù)防某些疾病。


  近期,西安工程大學(xué)樊威教授團隊聯(lián)合英國曼徹斯特大學(xué)李翼教授團隊將濕法紡絲技術(shù)與浸漬技術(shù)相結(jié)合,一步法制備了一種皮芯結(jié)構(gòu)聚氨酯(PU/石墨烯Graphene包覆(3,4-乙烯二氧噻吩)-(苯乙烯磺酸鹽)PEDOT:PSS)的溫敏纖維。其與商業(yè)棉紗編織成溫敏織物,可以在日常活動中不間斷的實時監(jiān)測人體體溫。如圖1所示,首先使用濕法紡絲的方法制備了PEDOT:PSS纖維,經(jīng)干燥、去離子水洗滌、再次干燥后,將纖維浸漬入PU和石墨烯的混合溶液中,干燥得到了PU/Graphene@PEDOT:PSS纖維(復(fù)合纖維)。該纖維具有良好的柔韌性,可以任意的彎曲打結(jié)而不發(fā)生斷裂。 


1 PU/Graphene@PEDOT:PSS復(fù)合纖維的制備流程及形貌 


PEDOT:PSS纖維的表征及溫度傳感性能


  如圖2所示,SEM圖表明制備的純PEDOT:PSS纖維形貌良好(圖2a-b),通過EDS、FTIR和拉曼光譜分析可以得知纖維在紡絲過程中沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(圖2c-e)。探究了不同凝固浴比例、不同水洗時間處理后,純PEDOT:PSS纖維的電導(dǎo)率和溫感靈敏性能(圖2e-i)。 


3 PU/Graphene@PEDOT:PSS復(fù)合纖維的表征及溫度傳感性能


  SEM圖表明PU/Graphene已成功浸漬在PEDOT:PSS纖維表面(圖3a),并對不同石墨烯含量復(fù)合纖維的溫敏性能、熱導(dǎo)率及電導(dǎo)率進行了分析(圖3b-d)。PEDOT:PSS復(fù)合纖維的溫度分辨率為0.1℃(圖3e),滿足測量人體溫度微小變化的要求。PEDOT:PSS復(fù)合纖維還具有快速的響應(yīng)時間(17s)以及良好的循環(huán)穩(wěn)定性(圖3g-i)。 


PU/Graphene@PEDOT:PSS復(fù)合纖維及其織物的服用性能


  圖4展示了PU/Graphene @PEDOT:PSS復(fù)合纖維及其織物的相關(guān)服用性能。PU/Graphene @PEDOT:PSS復(fù)合纖維的溫度監(jiān)測的準(zhǔn)確性不受出汗或暴露在有水的環(huán)境的影響(圖4a)、具有良好的拉伸性能(圖4b)、良好的抗彎曲性能以及良好的耐磨性(圖4c-d)。此外,PEDOT:PSS復(fù)合纖維織成的織物具有與棉織物相當(dāng)?shù)耐笟庑院屯笣裥裕▓D4e),懸垂性測試也表明織物具有良好的懸垂性,穿著柔軟(圖4f)。 


5 PU/Graphene@PEDOT:PSS復(fù)合纖維及其織物的應(yīng)用


  如圖5a、b所示,紅外熱像儀和手機上顯示相同的溫度并且?guī)缀跬瑫r響應(yīng),表明PEDOT:PSS復(fù)合纖維足夠準(zhǔn)確地監(jiān)測人體溫度;谶@款纖維,作者設(shè)計了藍(lán)牙傳輸模塊,使溫敏纖維能夠監(jiān)測體溫并通過手機將信息轉(zhuǎn)發(fā)給相關(guān)人員或監(jiān)護人(圖5c-d,可以用于遠(yuǎn)程醫(yī)療以及新冠疫情流行病等的防控。


  該工作以“An Antisweat Interference and Highly Sensitive Temperature Sensor Based on Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)?Poly(styrenesulfonate) Fiber Coated with Polyurethane/Graphene for Real-Time Monitoring of Body Temperature”為題發(fā)表在期刊《ACS Nano》上(一區(qū)TOPIF = 17.1。第一作者及通訊作者為西安工程大學(xué)樊威教授,共同通訊作者為英國曼徹斯特大學(xué)李翼教授,合作者包括西安交通大學(xué)王淑娟副教授,西安工程大學(xué)吳帆博士、李云紅教授,南京林業(yè)大學(xué)葛省波教授,西安工程大學(xué)碩士研究生劉彤、劉金霖、雷睿心、王嬋,南京林業(yè)大學(xué)研究生葉浩然,安踏(中國)有限公司車秋凌博士。


  該研究得到了國家自然科學(xué)基金項目、國家紡織之光基礎(chǔ)研究計劃、陜西省重點研發(fā)計劃、陜西自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目、陜西教育廳科研項目等項目支持。


  論文鏈接https://doi.org/10.1021/acsnano.3c04246 

  論文可免費下載。

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