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            巧用傳統紡絲方法,實現可穿戴傳感材料的大量連續制備

            巧用傳統紡絲方法,實現可穿戴傳感材料的大量連續制備

            巧用傳統紡絲方法,實現可穿戴傳感材料的大量連續制備巧用傳統紡絲方法,實現可穿戴傳感材料的大量連續制備  

            巧用傳統紡絲方法,實現可穿戴傳感材料的大量連續制備

            研究背景

                當今世界,人們經常會置身于對健康有威脅的環境之中,比如空氣污染??纱┐鱾鞲衅骺梢詭椭藗兲綔y到身邊不可見但有害的氣體污染物。

            可穿戴傳感器中的智能紡織品可以通過纖維狀傳感材料與傳統織物一起編織制備。石墨烯、氧化石墨烯及碳納米管等碳基納米復合材料可通過濕法、干法紡絲或電紡絲的方法制備纖維傳感材料。這類復合材料具有優異的導電性能以及機械性能,因此被應用到可穿戴傳感器中。目前,纖維狀傳感材料的設計與制備需要滿足以下幾個要求:1)具備良好的機械強度及足夠的柔韌性;2)優異的傳感性能及較低的噪音信號;3)在機械形變中保持良好的電性能及傳感功能;4)能大批量地連續生產以適應商業應用。

            巧用傳統紡絲方法,實現可穿戴傳感材料的大量連續制備

            研究亮點

            通過復合碳納米管及納米纖維素得到同時具備優良的機械性能及傳感性能的纖維狀傳感材料,并首次實現大量的生產。

            巧用傳統紡絲方法,實現可穿戴傳感材料的大量連續制備

            成果簡介

                近日,來自韓國先進材料科學與技術研究所的Hee-Tae Jung、Hyeon Su Jeong和Seoung-Ki Lee(共同通訊作者)等ASC Nano期刊上發表了題為“Continuous Meter-Scale Synthesis of Weavable Tunicate Cellulose/Carbon Nanotube Fibers for High-Performance Wearable Sensors”的文章。第一作者為Soo-Yeon Cho。他們通過濕法紡絲制備了同時具有優良機械性能及感測性能的纖維傳感材料,并發現該方法可以用于纖維傳感材料的大量生產(Meter-Scale)。不同于以往的工作多采用木漿納米纖維素,該工作選擇了可以形成多孔結構的海鞘纖維素(TCNF),因而更有利于得到高比表面積的纖維材料。碳納米管及海鞘纖維素均勻復合后通過濕法紡絲得到纖維狀材料,該材料對二氧化氮的靈敏度可達十億分之一級別,且具有較高的選擇性。此外,在經受嚴苛的形變條件后,該種材料仍能保持本身的化學傳感功能。材料優異的機械性能與柔韌性也使得它可以與普通纖維紡織成織布用于可穿戴傳感器中。

            巧用傳統紡絲方法,實現可穿戴傳感材料的大量連續制備

            圖文簡析

            1. 材料的制備與結構表征

            巧用傳統紡絲方法,實現可穿戴傳感材料的大量連續制備圖1.(a-b)TCNF/CNT纖維制備;(c)TCNF/CNT(20wt%)溶液在偏光顯微鏡下的液晶紋理圖像;(d)TCNF/CNT(20wt%)纖維的SEM照片。

                TCNF/CNT纖維的制備主要通過形成TCNF與CNT的液晶相混合溶液來實現的。CNT在TCNF的水溶液中混合后,所得溶液通過離心濃縮。如圖1(a)所示,濃縮溶液中,TCNF作為液晶相基質引導CNT有序地在溶液中排列并與TCNF取向一致。溶液中有序排列的液晶區域可通過偏光顯微鏡觀察得,如圖1(c)中的雙折射光學紋理反映了TCNF/CNT膠體的局部取向分布。以上所述溶液在丙酮凝固池中凝聚紡成絲狀并通過線軸收集,見圖1(b)。如圖1(c),TCNF/CNT纖維表面及內部分布了大量的中孔及大孔結構。通過Brunauer?Emmett?TellerBET)和Barrett?Joyner?HalendaBJH)比表面積與孔隙分布分析可得到纖維的比表面積為296.1 m2以及孔隙分布為2-40 nm。

            2. 形變狀態下的導電穩定性

            巧用傳統紡絲方法,實現可穿戴傳感材料的大量連續制備圖2.(a)不同彎曲半徑下單根纖維的電阻及電阻變化率;(b)循環測試不同彎曲半徑下單根纖維的電導率變化;(c)織物上的TCNF/CNT的SEM照片;(d)材料在不同壓縮和拉伸形變速度下的電阻變化率;(e,f)材料在循環壓縮、拉伸、扭轉形變下的電阻率變化。

            如圖2(a)所示,單根TCNF/CNT(20wt%)纖維的電阻值在不同彎曲半徑下沒有明顯變化,即使在0.5 mm的彎曲半徑下,電阻值的變化也在10%以內。如圖2(b),循環疲勞測試說明了重復的機械形變對纖維的電導率沒有明顯的影響。

            所得纖維編織在實際織物中并進行相關的測試(見圖2(c))。如圖2(d)所示,織物在分別以不同的速度被壓縮和拉伸的情況下,TCNF/CNT纖維電阻值較穩定。在循環的壓縮、拉伸以及扭曲形變后,電阻值也相對較穩定。因此,可以認為濕法紡絲制得的TCNF/CNT導電穩定性較高,使得它在人們身上穿戴時能在各種肢體活動造成的形變中維持較好的傳感性能。

            3. TCNF/CNT纖維對二氧化氮的感測

            巧用傳統紡絲方法,實現可穿戴傳感材料的大量連續制備圖3.(a)不同CNT含量的TCNF/CNT纖維對二氧化氮的電阻變化響應;(b)TCNF/CNT(20wt%)在不同二氧化氮濃度下的電阻變化響應;(c),TCNF/CNT(20wt%)在不同二氧化氮濃度下的電阻變化率最大值;(d)TCNF/CNT(20wt%)對不同被測物的電阻變化率最大值;(e)TCNF/CNT纖維的感應機理。

            如圖3(a)所示,CNT含量為20wt%的纖維材料具有較大的響應幅度以及較少的噪音信號,因而相較于其他CNT含量具有最佳的傳感性能。如圖3(b),在二氧化氮濃度為0.125 ppm和0.25 ppm,材料的響應變化率有較明顯的差異,說明材料對二氧化氮的靈敏度達十億分之一。

            傳感材料在實際使用中還需要考量它對特定氣體的選擇性。如圖3(d),相比于其他氣體分子如二氧化碳、二氧化硫等,TCNF/CNT(20wt%)對二氧化氮有較明顯的電阻值變化。這可能歸因于二氧化氮較二氧化碳及二氧化硫具有更高的酸性,更易與TCNF上的羥基結合。此外,在被測試的有機揮發分子中乙醇具有羥基可與TCNF上的氫鍵結合,因此相比其他有機揮發分子具有較明顯的電阻值變化。

            圖3(e)介紹了TCNF/CNT纖維對二氧化氮的感應機理。簡單來說,CNT束與TCNF纖維素在材料中取向一致并被纖維素包裹著,在材料中形成導電網絡。酸性的二氧化氮與TCNF上的羥基結合導致電荷的累積,并影響CNT在材料中的導電,從而降低了材料的電阻值。

            4. 實際應用中纖維形變對二氧化氮感應的影響

            巧用傳統紡絲方法,實現可穿戴傳感材料的大量連續制備圖4.(a)不同形態下的TCNF/CNT(20wt%)的SEM圖像;(b)不同形態下TCNF/CNT(20wt%)對不同濃度二氧化氮的最大電阻變化率;(c)TCNF/CNT(20wt%)纖維織布的照片、測試示意圖以及SEM圖像;(d)TCNF/CNT(20wt%)織布對二氧化氮的響應。

            在對纖維材料本身的性質進行研究以外,還需驗證TCNF/CNT纖維在紡織過程中的形變是否會對它的二氧化氮感應造成影響。如圖4(b),打結、扭轉狀態下的纖維對二氧化氮的響應差異不大,可以說明所得纖維具有很好的柔韌性。如圖4(d),在織布中的纖維對不同濃度的二氧化氮的響應幅度和響應時間與單獨存在時一致,說明該纖維材料在經過紡織后仍具有可靠的對二氧化氮感應功能。

            巧用傳統紡絲方法,實現可穿戴傳感材料的大量連續制備

            總結與展望

            本文介紹了一種用于可穿戴傳感器的纖f維狀傳感材料的濕法紡絲制備法,該方法可實現材料的大規模連續制備。從海鞘中提取的納米纖維素與單層碳納米管均勻復合并加工成數米長的纖維,所得纖維具有優異的機械性能、導電性能及多孔結構。該纖維對二氧化氮具有很高的靈敏度及選擇性,并在扭曲、壓縮、拉伸變形的情況下仍能保持其導電性能及對二氧化氮的感應。通過直接的編織方法,該纖維能直接與普通織物編織制成布料用于。因此,這一制備方法有望可以給可穿戴設備的制備提供新的大量生產的機會。

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            文章鏈接

            Continuous Meter-Scale Synthesis of Weavable Tunicate Cellulose/Carbon Nanotube Fibers for High-Performance Wearable Sensors (ACS Nano, 2019. DOI: 10.1021/acsnano.9b03971)

            原文鏈接:

            https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b03971

            供稿丨深圳市清新電源研究院

            部門丨媒體信息中心科技情報部

            撰稿人 | 林凱玲

            主編丨張哲旭


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