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一种基于聚合物纳米复合材料的柔性纤维温度传感器

放大字体  缩小字体 发布日期:2024-02-20  来源:Advanced Fiber Materials、纺织导报  浏览次数:305
核心提示:随着个性化医疗保健的日益普及,具有连续和实时监测能力的纤维型可穿戴温度传感器在柔性可穿戴电子领域受到广泛关注。尽管纤维
        随着个性化医疗保健的日益普及,具有连续和实时监测能力的纤维型可穿戴温度传感器在柔性可穿戴电子领域受到广泛关注。尽管纤维型可穿戴温度传感器的研究已经取得了一定的进展,但以往制造方法存在生产效率低、缺乏物理耐久性和纤维结构稳定性等不足,大大降低了纤维型温度传感器长期连续监测的适用性。
      近期,韩国科学技术院Seongjun Park教授团队开发了一种基于聚合物纳米复合材料的柔性纤维温度传感器,能够在体温变化范围内表现出敏感且一致的温度响应,具有较快的响应和恢复时间。
      该传感器由预制件经过热拉伸工艺(TDP)制造而成,且横截面尺寸可控。预制件由三层不同的材料组成,最里面由具有电阻温度依赖的还原氧化石墨烯(rGO)和聚乳酸(PLA)组成;中间层由线性低密度聚乙烯(LLDPE)组成,这为纤维温度传感器的机械和化学耐久性提供了柔性钝化;最外面的聚苯乙烯(PS)牺牲层使预制件能够稳定连续地热拉伸。
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      由于在拉伸前,预制件被加热到玻璃化转变温度(Tg)以上,因此,导电聚合物复合材料的流变行为会影响拉伸过程的稳定性。为了实现稳定的热拉伸并保持原始的横截面几何形状,研究人员对rGO/PLA进行了流变学研究,以确定用于成型的rGO最佳浓度范围,随着rGO浓度的增加,导电性明显提升。由于LLDPE和rGO/PLA在拉伸温度下的流体行为差异可能导致截面形状无法保持,所以在此基础上又引入PS层。
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      在传感性能上,纤维温度传感器的响应和恢复时间快(分别为11.6 s和14.8 s),并且电阻能够完全恢复,可实现循环的温度响应。体现了纤维温度传感器在使用过程中的可靠性和一致性,可用于监测连续和重复的实时温度传感。
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      可穿戴纺织品传感器经常会面临弯曲、污染和洗涤的问题,这可能会损害传感器的功能。因此,传感器必须具有优异的机械和化学稳定性,以实现日常应用所需的表面绝缘性、柔韧性和耐久性。经过1000次循环加热、在曲率半径为1.5 cm、90°循环弯折1000次以及暴露在不同的溶剂下,该纤维仍能可靠地响应外部温度的变化,表明其具一定的长期适用性。
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      在实际应用情况下,纤维的柔韧性和可调节的直径使其能够编织或缝制到织物上,在实际应用中,将纤维缝制或编织在织物上,可实现人体日常活动如呼吸、说话、运动等过程中体温变化的实时监测。同时,将其缝合到手套上后,对热物体或冷物体都能表现出色的温度响应,从而揭示出该纤维温度传感器在可穿戴器件实际应用中的潜力。
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      此外,研究人员将器件编织在衬衫和手套上,在响应体温变化和触摸温度检测方面表现出良好的性能。这也显示出该传感器在可穿戴、电子皮肤和其他生物医学设备中的巨大应用潜力。
      据悉,该项成果以“Thermally Drawn Multi‑material Fibers based on Polymer Nanocomposite for Continuous Temperature Sensing”为题发表在Advanced Fiber Materials上。
 
 
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