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西安工程大學樊威教授團隊與合作者 Nat. Commun.：具有反重力單向液體輸送功能的3D結構全纖維自供電應變傳感器

2024-04-26 來源：高分子科技

商用可穿戴傳感器通常需要經過電子封裝，具有良好的抗干擾穩定性，然而，封裝使其不透氣，作為人體傳感器使用時，會影響人體和外界的氣體交換，損害了人體穿戴的舒適性。此外，人體出汗后無法排出，會引起皮膚炎癥和其他皮膚疾病。上述弊端，導致現有商用傳感器無法長期接觸人體佩戴。針對以上問題，西安工程大學樊威教授團隊及其合作者采用航天飛行器高性能纖維結構件中常用的三向正交織物所用的3D織造方式，將具有不同吸濕性能的絕緣紗線對PVDF壓電紗線和導電紗線進行封裝，開發了一種免電子封裝且具有反重力單向液體輸送功能的3D結構全纖維自供電應變傳感器。

該工作首先通過共軛靜電紡絲和熱牽伸工藝，制備出強度高達313.3 MPa的PVDF壓電納米纖維紗線（滿足3D織造的要求），隨后采用3D紡織技術，將PVDF壓電紗線、導電紗線和不同吸濕性能的絕緣紗線按照圖1所示的結構進行分布，織造成3D壓電織物(3DPF)傳感器。在已報道的柔性壓電傳感器中，3DPF的抗拉強度最高，達到46.0 MPa。此外，構建的3D織物從底層到表層的紗線具有梯度吸濕效應，Z向紗線具有超強的芯吸效應，使得3DPF具有反重力單向液體輸送的功能。人體運動出汗后，汗液可以在4秒內從靠近皮膚側的內層反重力運輸到外層，為用戶提供了舒適干燥的佩戴環境。更重要的是，人體正常出汗后，不但不會降低3DPF的壓電輸出性能，反而會增強其壓電性能。此外，3DPF的耐用性和舒適性與商用棉T恤相似的級別，可滿足人體日常穿著的要求。此工作采用常規不導電商用紗線對導電和壓電紗線進行封裝的策略為開發其他類型的可呼吸的柔性可穿戴電子設備提供了一種新的設計思路。目前，該工作以“Sweat permeable and ultrahigh strength 3D PVDF piezoelectric nanoyarn fabric strain sensor”為題發表于《Nature Communications》。

圖1為三維壓電織物(3DPF)的制備及結構示意圖。首先采用共軛靜電紡絲(Electrostatic spinning unit)和熱牽伸(Hot stretching unit）工藝獲得超高強度的PVDF壓電納米纖維紗線。然后將其與功能性紗線在全自動劍桿織機(3D weaving unit)上進行織造，得到3DPF應變傳感器。

圖1. 3DPF的制備與結構示意圖

如圖2所示，常溫下，靜電紡紗線的拉伸強度與收集輥卷繞速度有關。確定最佳卷繞速度為1.0 mm/s，對該條件下獲得的PVDF納米紗線進行表征（圖a-c）。為增大紗線的力學性能以滿足上機織造需要，進行了熱牽伸實驗。通過DSC測試確定熱牽伸溫度范圍，隨后探討不同溫度及熱牽伸倍數下紗線的力學性能，得到最佳拉伸強度的熱牽伸納米紗線（HS紗線），為313.3 MPa（圖2d-e）。HS紗線的形貌與初紡紗線相比，直徑減小，取向度變高，強度提高了約936%（圖2f-i），高于迄今為止所有PVDF及其共聚物納米紗的強度(圖2j) 。在高壓靜電紡絲和熱牽伸過程中，大部分α相被極化為β相（圖2k)。XRD圖譜中的晶體相變再次證明了上述現象的存在(圖2I)。說明熱牽伸促進了β相的形成，使HS紗線具有更高的晶粒平面取向和結晶度。

圖2. 熱牽伸前后PVDF納米紗線的形貌和性能

如圖3所示，分別從3DPF的內層和外層進行滴水實驗和MMT測試，其潤濕時間、水接觸角和兩側含水量不同。當向內層滌綸側滴水，外層潤濕；向外層黏膠側滴水，外層干燥。這展示了3DPF的單向導濕性能（圖3a-f）。當人體佩戴3DPF，內層接觸皮膚，汗液需要反重力運輸至外層。因此對3DPF的反重力輸水性能進行了驗證（圖3e-g）。圖3h為簡化后的3DPF單向輸水機理示意圖。此外，利用COMSOL多物理場仿真軟件對3DPF的反重力單向輸水現象進行了數值研究，仿真結果與實驗結果吻合（圖4）。

圖3. 3DPF的反重力單向輸水性能

圖4. (a)等距視角和(b)主視角下3DPF的反重力單向液體輸送情況模擬圖

壓電信號通過PVDF壓電紗線上下層的鍍銀尼龍紗線導出(圖5)。對出汗前后3DPF的壓電輸出信號進行測試，發現出汗后3DPF壓電性能不僅沒有削弱反而增強。這是因為適當的汗液有助于提高壓電材料的鐵/壓電性能，具有介電的壓電材料通過引入汗液缺陷改善了其壓電性能。3DPF在干燥狀態下的靈敏度與其他已報到的壓電傳感器相當，但其濕態下的靈敏度顯著高于其他柔性壓電傳感器。3DPF的高靈敏度和快速響應時間保證了其作為壓電傳感器在人體出汗等實際條件下使用的有效性。

圖5. 3DPF的壓電性能

如圖6所示，3DPF的抗拉強度為46.0±4.3 MPa，為目前報道的柔性壓電傳感器中最高水平。此外，其具有出色的耐磨性、機械耐久性和透氣性，并且吸濕排汗性能明顯優于棉織物。當受試者將商用壓電傳感器佩戴在左胳膊和將3DPF佩戴在右胳膊進行運動時，可以看到前者與皮膚接觸處存在明顯的汗液堆積，而本工作研發的全纖維壓電傳感器始終使接觸皮膚保持干爽舒適狀態。

圖6. 3DPF的耐用性和舒適性

3DPF具有良好的可穿戴性和出汗增強的電輸出性能，適合作為自供電開關長期佩戴。因此，可將3DPF設計為具有自供電觸發功能的開關。3DPF作為床單使用，具有病床呼叫的功能；而單向輸水功能保持皮膚和床單表面干燥，特別是尿失禁病人使用可以防止褥瘡。3DPF也是在兒童腰帶上創建隱藏開關的理想組件(圖7d)，因為你外觀和正常織物一樣。走失兒童通過按壓腰帶觸發報警，將GPS定位信號發送至家長和警察，實現及時干預和救援。

這項工作所提出的智能可穿戴織物在舒適性和傳感性能之間取得了平衡，使智能可穿戴產品被人體長期穿著成為可能。

圖7. 3DPF的應用

該工作第一作者兼通訊作者為西安工程大學樊威教授（現為西安工程大學紡織科學與工程學院副院長、柔性電子與智能紡織研究院院長、功能性紡織材料及制品教育部重點實驗室主任），第二作者為西安工程大學碩士研究生雷睿心，共同通訊作者為沙赫魯德理工大學Mashallah Rezakazemi教授和南京林業大學葛省波副教授；合作者包括西安工程大學竇皓副教授、武崢教授，西安交通大學王淑娟副教授、西北工業大學劉旭慶教授、英國曼徹斯特大學李翼教授、KLE技術大學Tejraj M. Aminabhavi教授，西安工程大學碩士研究生陸琳琳（現為同濟大學博士生）和陳煒純（現為中山大學博士生）。該工作得到國家自然科學基金、陜西省杰出青年科學基金、中國科協青年科技精英資助計劃、中國紡織視覺基礎研究計劃、陜西高校青年創新團隊、柔性電子與智能紡織研究所項目的支持以及西北工業大學張婷副教授、孫興副教授在數值模擬方面的指導。

原文鏈接：Wei Fan* et al. Sweat permeable and ultrahigh strength 3D PVDF piezoelectric nanoyarn fabric strain sensor, Nature Communications, 2024, 15, 3509.

https://doi.org/10.1038/s41467-024-47810-7

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（責任編輯：xu）

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