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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)時間及實用性,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多機(jī)制傳感信號整合面臨挑戰(zhàn)特別是對佩戴醫(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),同時在人機(jī)交互表現(xiàn)出更多的信息交互密度。


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DMF蝕去除核層,獲得殼50nm、直徑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。


2 (a) PHM制備示意圖,(b) PS-MAA,(c) PS-MAA@PANI(d) PHMsTEM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)拇植诙龋岣吡似淠Σ琳娦浴T诔R?guī)的使用中,織物傳感器的接觸角高達(dá)122°,同時也顯示出優(yōu)異的耐洗滌性、耐彎折性和透氣性(圖3g-i


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比照片,(i) 透氣性測試的對比照片。


  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,同時對多模態(tài)傳感性能有提高作用,研究人員對不同濃度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此外還能實現(xiàn)高靈敏度的運動傳感,監(jiān)測人體各種關(guān)節(jié)的運動信號。同時通過摩擦納米發(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接觸的物體進(jìn)行摩擦電信號檢測。


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)實部與虛部的關(guān)系)。


  研究人員將織物傳感器模塊化設(shè)計,利用多個人機(jī)交互實驗驗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現(xiàn)高效的觸覺交互通過檢測觸碰動作,生成精確的電流信號變化(圖5c。還可以通過手指的彎曲動作,實時捕捉彎曲、應(yīng)變信號,精準(zhǔn)識別點(“·”)和線()的編碼信息(圖5d-e此外,還可以實時監(jiān)測織物表面的溫度變化,通過LED燈直觀顯示溫度等級。最后將這些功能模塊化集成于智能手套等可穿戴設(shè)備,可以實現(xiàn)精細(xì)化的操作和信息反饋(圖5a


5 (a) PPW織物集成在手套中,用于檢測多種手部傳感信號及與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織物形變時間定義的·)和)摩斯碼,(e) 表示摩斯密碼“Y”“N”“K”的相對電阻變化。


  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,陜西省重點研發(fā)計劃項目、咸陽市重點研發(fā)計劃項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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