柔性导电基材制备及其传感器应用

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在柔性可穿戴器件领域,柔性可穿戴传感器因其具有将力学刺激转换为可分析电学信号的功能而受到广泛的研究关注。然而根据实际应用环境的需要,制备出可拉伸、高灵敏度、快速响应、低滞后、宽有效工作范围的柔性可穿戴传感器仍然具有很大的挑战。纺织品是由纤维和纱线交织组成的多孔立体网状结构,具有柔韧性、可拉伸性和穿着舒适性,从而成为柔性可穿戴传感器的理想基材,多采用与导电材料结合的方式来实现功能化。熔喷无纺布具有超细纤维、透气性好、易于改性、制备工艺简单等优点,从而适用于柔性可穿戴传感器的导电基材。静电纺纳米纤维具有直径极细、比表面积大、透气性好的优势,已经成为柔性传感器、电子皮肤、储能等柔性可穿戴领域的理想材料。本课题基于织物、熔喷无纺布、纳米纤维材料性能和结构的优势,以复合导电织物、弹性熔喷无纺布、纳米纤维膜作为柔性基体结合镀银纱线、导电聚合物、氧化石墨烯、石墨烯和银纳米线等导电材料,构筑了一系列基于复合导电织物、熔喷无纺布和静电纺丝纳米纤维膜的导电基材用作可穿戴传感器,研究了导电基材的电学性能和传感性能,并探索了其作为可穿戴传感器在人体运动和生理健康检测的应用。具体研究内容如下:(1)首先在纬纱方向采用不同排列方式的弹性复合导电纬纱和普通纱线以及对织物组织结构进行设计制备了多种不同的织物导电基材,构建了一种基于复合导电织物基材的传感器。探究了复合导电纬纱与普通纱线配置比例和织物组织结构对导电基材电学性能的影响。所制备的复合导电基材显示,复合导电纬纱在所有纬纱中的占比越大导电基材的导电性能越优异,1:0为最佳配置比例;在最佳配置比例下不同织物组织结构的导电基材中,3/3右斜纹导电基材导电性能最优异,2/2经重平导电基材导电性能最差。将3/1右斜纹导电基材用作传感器具有0-11.60%的有效传感范围,该范围内灵敏度达到33.45。此外,该传感器可实现对人体大小幅度运动及微弱生理信号检测。(2)其次,为了获得高灵敏度、宽工作范围和灵活便携的智能可穿戴应变传感器,弹性熔喷无纺布通过双浸双轧整理负载聚吡咯传感材料,构筑出基于弹性熔喷无纺布导电基材的传感器。制备的基材显示导电性能受纤维取向、熔喷基材方向、吡咯浓度和聚吡咯在无纺布中沉积量的影响。当吡咯浓度为5.5%时,孔隙率为45.3%的熔喷无纺布基材具有最佳导电性能,沿卷绕方向电导率为23.491 S/m,沿宽度方向电导率为15.063S/m。此外,基于弹性熔喷无纺布导电基材的传感器具有宽工作范围(0%-24.2%),在该范围内具有高应变灵敏度(1.94)、快速响应(0.023 s)、微小滞后(0.011 s),1000次循环的高耐久性和稳定性。同时,该传感器被证明可用于手指弯曲检测和对人类声音变化精准识别。(3)最后,对上述织物和熔喷无纺布导电基材的传感器进一步优化研究,通过静电纺丝和静电喷雾技术设计并构筑了具有多维纳米级混合分层导电微结构的聚氨酯纳米纤维膜导电基材作为传感器。结果表明,掺杂膜的电阻明显低于未掺杂薄膜,当掺杂0.4%的氧化石墨烯时,掺杂膜的电阻最小。随着喷涂层数的增加,夹层膜的电阻先减小后缓慢稳定。膜的微观结构决定了纤维层或夹层在变形过程中的不同阶段发挥不同的作用,掺杂零维和一维材料的膜在小应变下对相对电阻变化更敏感,而夹层膜在大变形时对层数更敏感。采用多维纳米级混合分层导电微结构间隔15 min喷雾的夹层膜应变传感器显示,输出电阻信号与输入应变极为同步,有效传感应变范围为0%-53.16%,在此范围内,灵敏度高达774.19,耐用性和稳定性可超过1000个周期,快速响应滞后时间仅为0.002 s。此外,该传感器可检测各种大规模运动或人体细微生理信号,如关节运动、脉搏跳动、声音和呼吸,对推动柔性可穿戴领域的发展具有重要意义。
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