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陕西科技大学马建中课题组MRC:可用于人体运动检测的阻燃型PEDOT:PSS/LDHs/皮革柔性应变传感器

发布日期:2022-03-30   作者:  点击量:

摘要:陕西科技大学马建中课题组使用皮革作为基底过滤聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚对苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)改性层状双金属氢氧化物(LDHs)悬浮液构建出具有双重导电通道的高性能应变传感器。由于独特的导电网络设计,所制备的传感器灵敏度高(GF=2326.84),对应变具有良好的线性响应,可满足人体运动检测的需求。

关键词:柔性应变传感器,双重导电网络,高灵敏度,天然产品

通常,压阻式传感器由柔性基底和导电网络组成。当施加外部应力时,这两个组分之间的相互作用会影响导电通路,从而产生易于检测的电信号。因此,柔性基底的选择和导电网络的结构设计是实现高性能压阻式应变传感器的关键因素。柔性基底需要能够在传感器经过大尺度变形后仍然可以恢复到原来的状态。基于此,具有优异的拉伸性能、良好的热稳定性和化学稳定性的合成聚合物,如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氨酯(PU)和橡胶等常被用作柔性基底,然而,由于合成聚合物的透气性较差,严重影响了传感器的佩戴体验。此外,导电网络的结构设计包括导电材料的均匀分布和导电通道的微观结构的构筑。如果能对导电网络进行良好设计,那么传感器发生较大的变形时导电网络也能保持均匀状态,这有利于建立对应变的线性响应。然而,制备这种复杂的微结构是昂贵且耗时的。

值得注意的是,许多生物质材料具有天然的微观结构。例如皮革就是由胶原纤维在空间中通过三股螺旋形式紧密编制构成的,除了高分子材料特有的柔性,皮革还具有良好的透气性和透水汽性,可以提高传感器的佩戴舒适性。已有的研究利用皮革作为柔性基底,将其独特的结构与导电材料相结合,无需复杂的制备流程即可获得具有精细微结构的导电通路。但压阻式传感器的固有问题,如灵敏度相对较低和应变非线性响应等尚未被解决。

陕西科技大学马建中课题组针对这一问题设计并制备了一种新型的基于皮革的双导电通道应变传感器(图1)。第一重导电网络是皮革表面的致密的PEDOT:PSS改性LDHs片。在变形过程中,该二维材料的滑动形成了均匀的微裂纹网络,从而产生有效的电信号。另一方面,较小的PEDOT:PSS改性LDHs片与皮革基底内的胶原纤维结合,建立了第二重导电网络,保证了在大检测范围下仍然能够输出稳定的信号。

图1 PEDOT:PSS/LDHs/皮革传感器的制备示意图

由于PEDOT:PSS/LDHs/皮革表面形成了裂纹结构,传感器的灵敏度最高可达到2326.84。此外,PEDOT:PSS/LDHs/皮革的拉伸响应时间短(160 ms),对应变具有良好线性响应,在分别循环拉伸1000次和压缩1000次后,产生的ΔR/R0信号具有重复的波形且峰强相似,说明该传感器具有良好的稳定性和可重复性(图2)

图2 PEDOT:PSS/LDHs/皮革传感器的性能。(a)不同MgAl-LDHs含量的P-MA/皮革复合材料和(b)不同MgAlV-LDHs含量的P-MAV/皮革复合材料。不同拉伸应变下的(c)P-MA/皮革和(d)P-MAV/皮革表面的SEM图。(e)0.36P-MAV/皮革传感器的拉伸响应时间。0.36P-MAV/皮革传感器的传感稳定性测试显示了在(f)ε=10%,频率为0.25 Hz下循环拉伸1000次和(g)压力为70 kPa,频率为1 Hz下重复压缩1000次的相对电阻变化。(c)和(d)中的比例尺为1 mm。

该传感器可以根据食指和肘关节的弯曲,输出相应的电信号。因此依据电信号,可以推出弯曲的角度。当穿着者在行走、奔跑、跳跃时,输出的电信号在峰宽、强度、频率等方面表现出不同的特征。例如在行走过程中,产生了一系列的宽峰,而在跑、跳这样的剧烈运动过程中,可以观察到更尖锐、更窄的峰。另外,也可以从相应的脉冲信号中获取走路的频率等信息。除了监测肢体运动外,传感器还能准确捕捉细微的信号,如咳嗽,表明该传感器具有良好的灵敏度,在人体健康检测方面也有较好的应用前景(图3)。

图3 0.36P-MAV/皮革传感器实时监测人体运动。(a)食指和(b)肘部弯曲不同角度的相对电阻变化;(c)走路,(d)跑步和(e)跳跃过程的相对电阻变化;(f)当佩戴者咳嗽时传感器的响应曲线

论文信息:

Yan Zong, Sha Tan, and Jianzhong Ma*. Flame-Retardant PEDOT:PSS/LDHs/Leather Flexible Strain Sensor for Human Motion Detection.Macromolecular Rapid Communications. DOI: 10.1002/marc.202100873.

本文转自公众号AdvancedScienceNews