大连理工大学潘路军教授团队：墨水修饰锦/氨纶织物制备高性能可穿戴应变传感器

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近年来，可穿戴应变传感器由于其在人体运动检测和个人健康监测中的潜在应用而备受关注。将导电纳米材料如金属纳米颗粒/纳米线、碳纳米管、石墨烯等作为传感介质复合在柔性聚合物基质中是制备柔性应变传感器最常用的策略之一。尽管使用该方法制备的传感器具有出色的传感性能，但由于柔性聚合物的透气性较差，降低了穿戴的舒适性。而且纳米材料之间的隧穿效应往往导致传感器的电阻在拉伸时呈指数形式上升，降低了传感器的线性度，给实际应用带来了困难。

针对这些问题，大连理工大学潘路军教授团队使用简单的浸泡法将锦/氨纶织物浸入碳素墨水中，制备了一款兼具舒适性和高性能的柔性应变织物传感器。该织物应变传感器在0-30％的应变范围内不仅拥有较高的灵敏度（GF~62.9）还表现出非常好的的线性响应能力（R²~0.99）。在洗涤前后，该传感器均在5000次测试中表现出良好的循环稳定性。由于织物本身具有良好的皮肤亲和力，且集成能力较好，该传感器可以方便地贴附在到人体或作为装饰缝在贴身衣物上，收集人体关节运动信号和脉搏、呼吸、心跳等生理信号，在运动防护、疾病监测等应用中显示出巨大的潜力。

图1. 墨汁修饰的织物应变传感器的制备流程

图2. 墨汁修饰的织物传感器的传感性能。（a）氨纶含量分别为10％，13％和16％的织物传感器的应变-应力曲线。插图为拉伸过程中的实时电阻。（b）几个周期内SP13传感器的电阻与施加的应变之间的相关性。（c）SP13传感器在拉伸/释放周期中的实时电阻。（d）以5％的增量施加5-30％的应变来对SP13传感器进行循环测试。（e）SP13传感器的相对电阻变化与应变的关系。（f）在10％应变下对SP13传感器进行5000次循环测试。

由于传感器的制备过程较为简单，无需昂贵的设备和复杂的操作，使得该传感器的可重复性和性能再现性较为良好，同时原材料价格低廉易于获取，为器件的大规模生产铺平了道路。

图3.（a）洗涤前后SP13传感器的线性度、初始电阻和灵敏度比较。（b）八个样品的线性度、初始电阻和灵敏度。

对织物传感器在拉伸过程中的微观结构演变进行观测，发现该传感器的传感机理可以从两方面来解释：1. 纤维束之间的接触面积减少；2. 碳黑导电层中裂缝的产生。值得注意的是裂缝仅产生在经向方向的部分纤维上，而在横向方向上相互绕结的纤维部分并没有裂缝的产生，说明该纬编结构能够均匀的分布应力。纤维束之间接触面积的减少和裂缝产生的相互协同作用使该传感器具有超高的灵敏度和出色的线性度。

图4. 拉伸过程中织物的（a-c）正面和（d-f）背面的结构演变。黄色虚线表示接触面积的减少。（g-i）拉伸时碳黑导电层裂缝的产生和传播。（j）裂缝产生的示意图。蓝色虚线内无裂缝产生。

图5. 应变传感器在监测（a）手指关节，（b）腕关节，（c）肘关节，（d）呼吸，（e）腕部脉搏和（f）100步步行运动中的应用。（g）饰有“DLUT”图案的智能T恤。（h）传感器贴附在手腕部以检测脉搏。（i）用墨水修饰过的织物制成的防护腕带。贴附在（j）弹性运动胶带上和（k）安装在膝盖上的传感器照片。

他们通过将氨纶/聚酰胺纤维浸入碳笔墨水中来制造纺织品应变传感器。这种低成本且易于制造的织物应变传感器促进了大规模生产。该传感器具有出色的线性度、灵敏度、拉伸可恢复性、可洗性、稳定性和可重复性。这种令人印象深刻的传感性能使墨水修饰的织物有机会成为未来智能服装的理想材料。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b22534

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