柔性织物湿度传感器|中科院苏州纳米所周庚衡研究员Materials Today Nano:超快、高灵敏度、柔性织物湿度传感器

2022-05-12
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可穿戴电子产品有望成为下一代智能纺织品,用于人机交互、健康监测和其他应用。然而,将电子功能集成到纺织品中,并在穿戴过程中保持其功能是一项巨大的挑战。局部湿度的测量和控制对提高人类生活质量具有重要意义。通过将传统湿度传感器集成到纺织面料上可实现局部湿度监测。然而,传统薄膜状湿度传感器难以较好与织物面料兼容,因此开发纤维状传感材料十分必要。

近日,中国科学院纳米所周庚衡研究员与山东大学何作利研究员、韩国材料研究所Joon-Hyung Byun教授,昌原国立大学Jung-Il Song教授等合作采用湿法纺丝与溶剂交换工艺制备了单壁碳纳米管(SWNT)/聚乙烯醇(PVA)/氯化锂(LiCl)纳米复合纤维并用于超快、高灵敏度、柔性织物湿度传感器。基于SWNT/PVA/LiCl织物的湿度传感器展现出高灵敏度:当环境相对湿度(RH)从100%变化到40%时,其电阻在短响应时间(~5秒)内变化约6倍。其超快响应归因于氯化锂与水分子接触时的快速潮解所产生的离子导电。与此同时,所开发的此类织物湿度传感器对人类呼吸和实时湿度变化响应良好,可以区分深、浅呼吸与织物局部湿度变化。基于纤维状传感器的优异传感性能与其良好的机械变形性能,使得此类高性能湿度传感器能够方便地集成到纺织品面料上,可用于人体微环境湿度状态的实时监测,为人体健康管理提供支撑。

图1  SWNT/PVA/LiCl长丝的合成:(a)湿法纺丝工艺简图;(b)纺丝过程中丙酮和氯化锂溶液之间的溶剂交换示意图;(c)SWNT/PVA/LiCl长丝的扫描电子显微镜(SEM)形态和元素分布。

图2  SWNT/PVA/氯盐长丝的机械和电气性能:(a)长丝的典型静态拉伸应力-应变曲线;(b)复合长丝的静态拉伸强度与断裂伸长率;(c)纤维的FTIR光谱;(d)在不同变形条件下,缝合在棉布上的SWNT/PVA/LiCl长丝的电阻变化。

图3  SWNT/PVA和SWNT/PVA/氯盐复合长丝以及相应打结状态的SEM形貌:(a1-b1)1:20 SWNT/PVA长丝;(a2-b2)SWNT/PVA/KCl长丝;(a3-b3)SWNT/PVA/CaCl2长丝;(a4-b4)SWNT/PVA/LiCl长丝。

图4  SWNT/PVA/氯盐复合长丝的湿敏性能:(a)电阻随湿度的变化;(b)相对湿度在50%和70%之间改变的循环试验;(c-d)通过缝合在口罩上的SWNT/PVA/LiCl和SWNT/VA/CaCl2细丝进行呼吸监测的结果;(e)不同氯化锂含量的SWNT/PVA/LiCl长丝传感器进行呼吸监测的结果。

图5  不同SWNT/PVA/LiCl复合长丝的循环伏安特性与相对湿度变化的关系:(a)不同SWNT/PVA/LiCl复合长丝在CV测量期间的电流变化;(b-d)SWNT/PVA/LiCl复合长丝的CV曲线。

图6  SWNT/PVA/氯盐复合长丝的循环伏安特性与相对湿度变化的关系:(a)不同SWNT/PVA/氯盐长丝在CV测量期间的电流变化;(b-d)不同SWNT/PVA/氯盐长丝的CV曲线。

图7  使用分布式SWNT/PVA/LiCl传感器监测纺织品的局部湿度变化:(a)将SWNT/PVA/LiCl长丝传感器缝制成在纺织品上组成传感器矩阵;(b)、(c)、(d)和(e)分别为打开位于传感器#0正下方的加湿器后在5、10、15和20秒的各传感器中的电阻。

图8  无线可穿戴湿度传感器:将湿度感应灯丝缝在棉衬衫上,传感器与PCB板连接,实现无线通信,通过手机实时监测环境湿度的变化。

结论

综上所述,我们制备了对湿度具有高灵敏度和超快响应时间小于5s的SWNT/PVA/LiCl复合纤维,可用于设计实时微环境湿度监测的柔性织物湿度传感器。SWNT网络结构有助于提高复合纤维强度,氯化锂随湿度变化潮解产生的离子影响纤维的导电性能变化。在此基础上,基于所开发的SWNT/PVA/LiCl复合纤维开发了高灵敏度的纺织品湿度传感器阵列及无线可穿戴湿度传感器,可实现实时监测人体呼吸情况与织物局部湿度变化状态,有望用于特定人群健康监测管理。

作者简介

周庚衡博士2005年本科毕业于哈尔滨工业大学,2012年博士毕业于中国科学院金属研究所。2012年-2016年在韩国材料研究所开展博士后研究工作,2017年加入韩国昌原国立大学,任职研究教授,2018年由“研究所百人计划”引进全职加入中国科学院苏州纳米所,任职项目研究员。他的研究工作聚焦于先进碳材料,包括高性能碳纤维、碳纳米管及其复合材料,采用高分辨透射电子显微镜解析纳米碳组装体结构微纳结构演化规律及其对力学性能影响机制;通过成分设计及微纳结构调控,开发导电性及磁性可调的耐高温纳米碳基复合纤维与薄膜,用于力、热、光、电、磁耦合功能材料开发。研究成果在Advanced Materials, ACS Nano, Nanoscale 及Carbon等知名学术期刊发表研究论文20余篇,获授权韩国发明专利2项,申请中国发明专利3项,主持及参与了重点研发计划等多项研究计划。
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原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2588842022000426

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