郑大JMCA：超拉伸多功能可穿戴电子设备，用于电磁干扰屏蔽、电疗和生物力学监测

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一、文章概述

如今，由于技术进步引起的各种污染，例如电磁（EM）辐射、噪声和有毒气体，健康问题引起了人们的极大关注。其中，EM辐射对人体健康具有有害影响，从而导致诸如恶心、头疼、眼睛问题和癌症等问题，尤其是对婴儿大脑发育的影响。这个问题对于孕妇在分娩前工作来说是紧迫的。因此，有必要设计和制造具有高电磁干扰（EMI）屏蔽效果的智能和可穿戴设备，以保护人类和电子设备免受EM辐射的影响，如果设备具有对不同环境刺激的响应能力，那将很有价值。然而，在保持其固有的灵活性和耐用性的同时，集成诸如EMI屏蔽、电疗和生物运动检测等多功能仍然是一个巨大的挑战。

基于此，本文报道了一种简单而且有效的策略，通过结合静电纺丝热塑性聚氨酯（TPU）纤维膜、生物相容性聚多巴胺（PDA）、高导电性Ag纳米颗粒（AgNPs）和MXene纳米片来制造多功能和超拉伸纤维膜，其中涉及银前驱体的还原，然后采用喷涂技术。具体而言，PDA保护AgNP免受氧化，并增强了AgNP与TPU之间的键合，而MXene用于促进电磁干扰屏蔽（EMI）和应变传感性能。优化的TPU/PDA/AgNP/MXene纤维膜（TAMF）显示出超高电导率95238S/m、出色的EMI屏蔽效率（EMISE）为108.8 dB、在X波段厚度为150 μm时，高达12342.8dB cm2 g-1的高比屏蔽效率。柔性纤维膜也拥有出色的焦耳加热能力（在1V电压下高达80℃）、出色的机械传感能力、0.1％的低检测极限、高的7853应变系数、200％的宽感应范围和优异的柔韧性、孔隙率和透气性，使其在穿戴式电磁波保护、电疗和人机交互方面具有多功能潜在应用。

二、图文导读

图1（a）MXene的制备示意图。

（b-c）MXene纳米片的XRD和AFM图像。

（d）说明多功能纤维膜的制造的示意图。

（e-h）分别是TF、TDF、TAF和TAMF的形态。

（i-l）分别为TAMF的SEM图像和元素映射图像。

图2（a-b）不同浓度的AgNO3溶液的TAF的电阻和EMISE值。

（c）TF、TAF和TAMF的EMISE值。

（d）文献对比。

（e）TAMF的EMI屏蔽机制示意图。

（f）TAF-X和TAMF的平均EMISET，SEA和SER值。

（g）X波段的R-A系数。

（h）TAMF暴露于空气中30天后的EMI屏蔽性能。

（i）经过1000次弯曲/释放后，TAMF的EMI屏蔽性能。

图3（a）在不同电压下的温度曲线。

（b）在不同电压下的饱和温度与U2的关系。

（c）在0.4V下超过10个加热周期的温度响应。

（d）电压为0、0.6、0.8、1.0、1.4和1.8V的电加热器的数字和IR摄像机图像。

图4、TAMF的拉伸机电性能。

（a）TAF和TAMF的R/R0与应变的关系。

（b）GF与应变的关系。

（c）与最新传感器的传感性能（最大GF和最大工作范围）的比较。

（d）在20mmmin1的拉伸速度下，阶跃应变的电阻变化从0-8％，然后到0％。

（e）TAMF应变传感器的快速响应。

（f）在各种最大应变下，重复拉伸下TAMF的R/R0变化。

（g）TAMF在10％应变下在不同频率下的R/R0响应。

（h）在1000个拉伸-释放循环中，应变为10％的TAMF的R/R0值。

图5、（a）胎儿的电磁保护、（b）胎儿运动的图示、（c）使用气球模拟胎儿运动以及（d）电压为0、0.6和0.8V时TAMF加热器在皮肤上的温度。

TAMF在微小和大型人体运动中的应用：（e）手指弯曲，（f）手腕弯曲和（g）肘部弯曲。

三、论文信息

Ultra-stretchable and multifunctional wearable electronics for superior electromagnetic interference shielding, electrical therapy and biomotion monitoring

Journal of Materials Chemistry A ( IF 11.301 )

Pub Date : 2021-2-12

DOI: 10.1039/d0ta10991f

Wei Zhai; Chunfeng Wang; Shuo Wang; Jiannan Li; Yi Zhao; Pengfei Zhan; Kun Dai*; Guoqiang Zheng; Chuntai Liu*; Changyu Shen

Key Laboratory of Materials Processing and Mold (Zhengzhou University), Ministry of Education, School of Materials Science and Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou, Henan 450001, P. R. China.

原文链接
https://doi.org/10.1039/d0ta10991f

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