天津科技大學生物基纖維材料國家重點實驗室劉陽/安興業/劉洪斌CEJ：耐用、透氣、防汗和可降解應力傳感器

作為最豐富的生物質和可再生聚合物，纖維素已經應用于諸多電子器件中，如超級電容器、納米發電機、變壓器、光電探測器和傳感器。然而，紙的親水性使得這些設備對水的抵抗力非常低，由于水的浸泡和汗水的腐蝕，紙基可穿戴設備的使用壽命和穩定性大大降低。因此，實現耐用、透氣、耐汗、可降解的應變傳感器仍然是一個巨大的挑戰。

近日，天津科技大學輕工科學與工程學院劉洪斌/安興業/劉陽在Chemical Engineering Journal上發表了題為“Durable, breathable, sweat-resistant, and degradable flexible sensors for?human motion detection”的研究文章。該文章通過將紙依次浸涂到MXene懸浮液和木質素陰離子松香施膠劑中，制造出耐用、透氣、防汗和可降解的柔性紙張/MXene/施膠劑（PMS）傳感器。PMS柔性應變傳感器在0~120°的彎曲角度下表現出高靈敏度（GF=161），在30°的彎曲變形下表現出超過100000次的優良抗疲勞性。它還顯示了卓越的疏水性（接觸角=133.4°），良好的透氣性（154.08mm/s）和高降解性。

在PMS傳感器中，紙質基材作為可降解的、透氣的、柔韌的支架材料。MXene賦予復合材料高的傳感性能，因為它具有高導電性、良好的降解性和易于功能化等特性。施膠劑作為環境友好和疏水的封裝層用于提高PMS的疏水性，同時保護MXene層不被損壞（圖1）。

圖1?PMS柔性應變傳感器的制備過程以及柔韌性和疏水性示意圖

研究發現，PMS柔性應變傳感器在0~120°的彎曲角度范圍內顯示出161的優異靈敏度和高線性度；在30°的彎曲角度下，ΔR/R₀的峰值是穩定的，在應變速率從1~8mm/s增加時保持不變，顯示了典型的與速率無關的傳感行為。PMS傳感器的透氣性為154.08mm/s，有著較好的透氣性，從而保證了佩戴的舒適性（圖2）。

圖2 PMS柔性應變傳感器的傳感性能和透氣性

為了證明PMS柔性應變傳感器在實際應用中的可行性，將傳感器與藍牙信號傳輸技術相結合，實現了人體運動無線檢測（圖3）。傳感器被裝配在手腕上，用于檢測志愿者運動后的脈搏，顯示出有規律和穩定的感應模式。該傳感器還可以有效地監測重復的肘關節運動，同時具有良好的穩定性。最后，將傳感器連接到志愿者的手指上，并將其置于水中。事實證明，PMS柔性應變傳感器具有良好的疏水性。

圖3 PMS柔性應變傳感器的在不同場景下對運動行為的監測和穿戴舒適性

該文章通過簡單的連續浸涂方法，提出了一種耐久性、透氣、疏水和可降解的紙/MXene/施膠劑（PMS）柔性應變傳感器。這項工作對在人體運動監測中開發實用和舒適的紙基可穿戴電子設備提供了實際指導。

論文第一作者是生物基纖維材料國家重點實驗室、天津科技大學輕工科學與工程學院2020級博士研究生管敏，輕工學院劉洪斌教授，安興業副教授，劉陽博士為該工作的通訊作者。

該研究得到國家自然科學基金委、國家重點研發計劃、天津市大學生創新創業訓練計劃的支持。

原文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723008823#f0005

本文由作者供稿