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上海工程技術(shù)大學(xué)宋仕強(qiáng)團(tuán)隊(duì) JMCA：糖塑法輔助制備的具有優(yōu)異觸覺感知功能的中空PDMS可穿戴織物
2024-03-13  來(lái)源：高分子科技

  柔性可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展和不斷完善使其在健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、電子皮膚等各個(gè)領(lǐng)域凸顯出重要的應(yīng)用價(jià)值。柔性壓力傳感器作為可穿戴電子設(shè)備的重要組成，因其能夠?qū)⑼饨鐗毫D(zhuǎn)換為可識(shí)別的信號(hào)而被廣泛構(gòu)建和使用。為了滿足可穿戴和柔性的特性要求，柔性聚合物薄膜、塊狀和纖維及其織物狀結(jié)構(gòu)是基體材料最為廣泛的呈現(xiàn)形式，其中纖維及其織物由于其獨(dú)特的一維結(jié)構(gòu)、良好的透氣性、穿戴舒適性和順應(yīng)性等，在制造柔性壓力傳感器方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而，纖維本身有限的空間形變和固有的低彈性限制了其傳感性能，特別是受限的壓力工作范圍。另外，聚二甲基硅氧烷(PDMS)或硅橡膠因其具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、高柔韌性和生物相容性等特點(diǎn)，在柔性傳感領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，而它們大多以導(dǎo)電的薄膜、塊狀材料或絕緣包裹層的形式存在。由于它是交聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此采用傳統(tǒng)的熔融、溶液和靜電紡絲法難以獲得其纖維狀結(jié)構(gòu)。因此如何通過(guò)一種簡(jiǎn)單高效的方法開發(fā)具有寬壓力范圍和高靈敏度的高性能PDMS纖維類壓力傳感器具有重要意義。


  近期，上海工程技術(shù)大學(xué)宋仕強(qiáng)副教授團(tuán)隊(duì)受傳統(tǒng)糖塑工藝的啟發(fā)，采用高效便捷的糖塑法制備了一種碳納米管(CNT)嵌入式的中空聚二甲基硅氧烷(PDMS)纖維。柔軟的中空PDMS/CNT纖維進(jìn)一步被剛性導(dǎo)電聚多巴胺(PDA)-聚吡咯(PPy)涂覆，形成了獨(dú)特分層結(jié)構(gòu)。CNT在PDMS襯底中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)導(dǎo)電通路的改變，賦予傳感器的優(yōu)異的傳感性能；多巴胺和吡咯單體混合物在中空PDMS纖維上進(jìn)行原位表面聚合生成剛性微結(jié)構(gòu)，致使纖維結(jié)構(gòu)在面向低壓時(shí)進(jìn)行壓力傳遞從而引起PDMS/CNT基體形變，而在高壓下通過(guò)自身的變形又進(jìn)一步擴(kuò)大了工作范圍。這種簡(jiǎn)單高效的構(gòu)建策略與獨(dú)特的分層結(jié)構(gòu)相結(jié)合，有助于先進(jìn)可穿戴電子設(shè)備設(shè)計(jì)制備，并進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用范圍。 


圖1. 中空纖維的制備與形貌


  中空結(jié)構(gòu)賦予纖維質(zhì)輕的特性有助于減輕佩戴的重量(圖2a-d)。糖塑工藝在調(diào)控糖纖維尺寸方面具有可控性，圖2e展示了長(zhǎng)約40 cm的大尺寸中空PDMS/PDA-PPy纖維，證明了其用于構(gòu)建大尺寸傳感器器件的可行性。與實(shí)心PDMS纖維相比，空心PDMS纖維和PDMS/PDA-PPy纖維具有更高的斷裂伸長(zhǎng)率和韌性，而強(qiáng)度略有下降。此外，中空纖維由于其獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩根纖維的重疊也表現(xiàn)出比實(shí)心纖維更好的變形能力(圖2h)。中空纖維除了具有良好的韌性和壓縮性外，還能承受大大超過(guò)其重量的物體，如圖2i所示重量約為98 mg的中空PDMS/PDA-PPy纖維能夠承載700 g的重量，表明其具有優(yōu)越的承載能力和力學(xué)強(qiáng)度。 


圖2. 中空PDMS/PDA-PPy纖維尺寸和機(jī)械性能


  在承受外界壓力時(shí)，纖維獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)可以提供更多的可變形空間，直到上下表面接觸，這為傳感器在較寬的壓力范圍內(nèi)工作提供重要基礎(chǔ)。壓力敏感性與中空纖維結(jié)構(gòu)的變形密切相關(guān)，壓力敏感性會(huì)在壓縮初始階段急劇增加，這可能是由于中空纖維上層的PDA-PPy和CNTs劇烈變形所致。然而隨著壓力的進(jìn)一步增大，壓力敏感性緩慢升高，直至纖維表面的PDA-PPy顆粒接觸。當(dāng)中空纖維的上下底面接觸壓實(shí)時(shí)，處于PDMS基體中的導(dǎo)電碳納米管網(wǎng)絡(luò)隨之發(fā)生較大的變形，致使傳感器在更高的壓力下繼續(xù)工作。因此，基于中空纖維的壓力傳感器在較寬的壓力范圍內(nèi)具有優(yōu)異的傳感性能(圖3)。 


圖3. 基于中空纖維的壓力傳感器的壓力傳感性能


  纖維表面的硬質(zhì)PDA-PP導(dǎo)電顆粒微結(jié)構(gòu)賦予纖維分層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)其對(duì)物體表面的接觸，其接觸反作用力會(huì)迅速反饋到PDMS基層，從而引起嵌入的導(dǎo)電CNT網(wǎng)絡(luò)靈敏而快速地捕捉到由于PDMS軟變形引起的電阻信號(hào)變化。這種結(jié)構(gòu)就如同手指表面微結(jié)構(gòu)，凸起的剛性PDA-PPy顆粒模擬了手指皮膚的脊，柔軟的PDMS模擬了表皮，嵌入的CNT模擬了觸覺小體，因而具有觸覺感知的功能。為了驗(yàn)證其觸覺感知能力，我們通過(guò)交叉的中空纖維接觸具有不同粗糙表面的物體，如聚氨酯棉、紗布、聚四氟乙烯薄膜、不銹鋼板、刷子、多孔硅膜等，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法和人機(jī)界面組成的智能觸覺識(shí)別平臺(tái)，可以自動(dòng)智能地分類和識(shí)別物體。 


圖4. 中空纖維接觸不同表面粗糙度物體刺激電信號(hào)響應(yīng)性 


圖5. 基于傳感器和1D-COVN的智能觸覺識(shí)別系統(tǒng)


  以上研究成果以“Sugar-plastic Assisted Fabrication of Hollow PDMS Wearable Fabrics toward Excellent Sensory Capabilities”為題發(fā)表于Journal of Materials Chemistry A（DOI: 10.1039/D3TA08044G）。論文第一作者為上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院碩士生劉眉，通訊作者為上海工程技術(shù)大學(xué)宋仕強(qiáng)副教授，機(jī)器學(xué)習(xí)算法得到了電子工程系熊玉潔副教授的支持。


  文章鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d3ta08044g

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