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陜西科技大學(xué)Zhaoqing Lu課題組--聚吡咯原位負(fù)載芳綸納米纖維和碳納米管氣凝膠纖維作為生理和運動傳感器

 石墨烯研究 2022-06-16 發(fā)布于江蘇
   納米復(fù)合導(dǎo)電纖維是新開發(fā)的一種輕質(zhì)材料,具有高柔韌性和強(qiáng)可編織性,可以滿足柔性可穿戴設(shè)備的要求。在此,通過濕紡法制備了涂有聚吡咯(PPy)層的輕質(zhì)多孔芳綸納米纖維(ANF)和碳納米管(CNT)氣凝膠纖維,可用于運動檢測和信息傳輸。ANF/CNT/PPy氣凝膠纖維具有低密度(56.3 mg/cm3)、電導(dǎo)率(6.43 S/m)和拉伸強(qiáng)度(2.88 MPa),具有高靈敏度(0.12)和長壽命(1000 次循環(huán))。同時,利用氣凝膠纖維的微分電導(dǎo)率來減少信息傳輸時間(最高可達(dá)46%)。耐高溫和耐低溫(-196 至 100℃)氣凝膠纖維也可用作快速加熱器和離子溶液檢測器。綜上所述,制備的 ANF/CNT/PPy 氣凝膠纖維可用作人體健康檢測和運動監(jiān)測的多功能傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

Figure 1. ANF/CNT/PPy氣凝膠纖維的制備:(a,b)制備流程示意圖;(c) ANF/CNT 分散體的 TEM 圖;(d) ANF/CNT 和 ANF/CNT/PPy 纖維的微流控組裝;(e) ANF/CNT/PPy 水凝膠纖維的 3D 圖;(f-h) ANF/CNT/PPy 氣凝膠纖維的 SEM 圖。

Figure 2. 基于 ANF 的氣凝膠纖維的表征:(a)光學(xué)顯微鏡照片,(b)結(jié)構(gòu)示意圖,(c)FTIR 光譜,(d)XRD 光譜,(e)拉曼光譜,(f)XPS 光譜,(j)應(yīng)力-基于 ANF 的氣凝膠纖維的應(yīng)變曲線、(k) 拉伸強(qiáng)度、(l) 伸長率和 (m) 韌性值。(g) ANF/CNT/PPy 樣品懸掛 100 克重物(左)并盤繞成彈簧(右)的照片。(h) ANF/CNT/PPy 氣凝膠纖維在冷液氮中的照片。(i) ANF/CNT/PPy 氣凝膠纖維在熱板上的照片(左)和熱擴(kuò)散圖(右)。

Figure 3. (a) ANF、(b) ANF/CNT、(c) ANF/PPy 和 (d) ANF/CNT/PPy 氣凝膠纖維在不同尺度下的橫截面形貌和平面圖像。

Figure 4. ANF/CNT/PPy氣凝膠纖維的傳感特性:(a)不同拉伸變形下纖維的電流-時間(i-t)圖;(b) 從-0.1 到 0.1 V 獲得的線性電流-電壓 (i-v) 圖;(c) 對拉伸變形的相應(yīng)檢測靈敏度(插圖顯示拉伸前(左)和拉伸后(右)的纖維);(d) i-t 和壓力-時間 (pt-t) 曲線之間的同步關(guān)系。(e) 拉伸和 (f) 彎曲變形下傳感器的傳感原理示意圖。(g) 不同彎曲變形下纖維的 i-t 圖;(h) 感應(yīng)對不同彎曲角度(上)和相對電流變化(下)的響應(yīng);(i) 對彎曲角度的相應(yīng)敏感性(插圖顯示了彎曲前(左)和后(右)彎曲的光纖);(j) 在不同頻率下監(jiān)測時的相對電流變化。(k) 圖像和 (l) 戴在手指上的光纖的相對電流變化;(m) 1000 次彎曲矯直循環(huán)期間的傳感重復(fù)性測試。

Figure 5. 用于信息傳輸?shù)膶崟r ANF/CNT/PPy 感覺系統(tǒng):(a) 感覺系統(tǒng)附著在成人手的表面;(b) 輕按時感覺系統(tǒng)的變形變化圖;(c) i-t 曲線和 (d) 不同壓力下感覺系統(tǒng)的相應(yīng)靈敏度。通過輕壓和重壓 ANF/CNT/PPy 感覺系統(tǒng)來編碼首字母縮略詞 (e) “SUST”、(f) “ANF”和 (g) “PPY”。英文字母表中的 26 個字母及其在國際摩爾斯電碼中對應(yīng)的符號,分別表示為 (h) 輕按和重按和 (k) 短時和長按。通過短時和長時按壓 ANF/CNT/PPy 感覺系統(tǒng)對首字母縮略詞 (i) “SUST”和 (j) “ANF”進(jìn)行編碼;(l) 壓力和時間模式的時間支出。(m) 2 × 2 縱橫交錯的紡織鍵盤的照片和電氣連接;(n) 紡織鍵盤的編織圖(黑色:ANF/CNT/PPy 氣凝膠纖維,紅色:對電極,黃色:工作電極 1,綠色:工作電極 2);(o) 紡織鍵盤的工作機(jī)制;(p) 紡織鍵盤上“ACS”和“NANO”字樣的編碼。

Figure 6. ANF/CNT/PPy 氣凝膠纖維的加熱性能和離子溶液識別:(a) 熱電偶測試裝置,(b) 熱像儀,(c) 溫度-時間曲線,(d) 溫度對電壓的響應(yīng);(e) 不同電壓下氣凝膠纖維的熱擴(kuò)散圖像。(f) 浸入 NaCl、NaOH 和 HCl 溶液中的 ANF/CNT/PPy 纖維;(g) i-t 曲線和 (h) 光纖中相應(yīng)的相對電流變化。

   相關(guān)研究工作由陜西科技大學(xué)Zhaoqing Lu課題組于2022年在線發(fā)表于《ACS Nano》期刊上,原文:In Situ Loading of Polypyrrole onto Aramid Nanofiber and Carbon Nanotube Aerogel Fibers as Physiology and Motion Sensors。

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