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陜科大馬建中教授/閆凱副教授 AFM：新型高效電磁波吸收的多模態可穿戴織物傳感器

2024-12-17 來源：高分子科技

近年來，柔性可穿戴電子設備因其廣泛的傳感能力、快速響應時間及實用性，在健康診斷及人機交互領域展示了巨大潛力。目前，現有織物傳感器在抵御電磁波干擾和多機制傳感信號整合面臨挑戰，特別是對佩戴醫療電子植入設備（如人工耳蝸和心臟起搏器）人群的保護顯得不足。因此，探索優化電磁波吸收劑的阻抗匹配和多模式傳感信號的智能結合具有重要的研究意義。

近日，陜西科技大學閆凱副教授的最新研究成果展示了一種基于中空聚苯胺微球（PHMs）修飾的柔性織物傳感器（圖1a）。這種傳感器通過在棉織物上原位生長聚吡咯（PPy），并結合中空聚苯胺微球和氨基硅烷改性聚氨酯（Si-WPU）的浸涂工藝，不僅賦予織物優異的電磁波吸收性能，還實現了應變、溫度及觸覺傳感的多模態整合（圖1b）。這種多模態整合為柔性織物傳感器提供了必要的健康防護，同時在人機交互表現出更多的信息交互密度。

圖1 (a)織物傳感器的制備流程示意圖，(b) 織物傳感器的特性。

在這項研究工作中，首先通過乳液聚合法得到直徑260nm的聚苯乙烯-甲基丙烯酸（PS-MAA）微球，這些微球表面通過靜電作用吸附苯胺單體，隨后原位聚合形成核-殼結構的PS-MAA@PANI。然后利用DMF刻蝕去除核層，獲得殼厚50nm、直徑約360 nm的中空微球（圖2d）。此外異氰酸酯（IPDI）與多元醇（PTMG）反應形成主鏈，加入氨基硅烷偶聯劑對聚氨酯鏈段進行擴鏈改性，獲得有機硅改性聚氨酯（Si-WPU）乳液。最后，中空聚苯胺微球和有機硅改性聚氨酯的復合涂層在織物傳感器上表現出優秀的摩擦正電性和界面粘附作用。

圖2 (a) PHM制備示意圖，(b) PS-MAA，(c) PS-MAA@PANI和(d) PHMs的TEM圖像。

在織物傳感器的制備過程中，吡咯單體在冰浴條件下在原始織物上進行原位聚合，形成均勻的導電層，依次浸涂不同濃度的PHM分散液和Si-WPU乳液，經干燥處理，得到最終的織物傳感器（圖3a）。這種制備工藝不僅提升了織物的導電性，還使其表面呈現適當的粗糙度，提高了其摩擦正電性。在常規的使用中，織物傳感器的接觸角高達122°，同時也顯示出優異的耐洗滌性、耐彎折性和透氣性（圖3g-i）。

圖3 (a) PPW織物制備過程的示意圖，(b) 原始織物、(c) PPy處理后的織物、(d) 浸涂PHMs后的PPy織物和(e) 最終PPW織物的SEM圖像，(f) 原始織物與PPy織物的FT-IR光譜圖，(g) PPW織物經過0次、5次、10次、15次和20次洗滌后的水接觸角，(h) PPW織物在彎曲、折疊和扭曲條件下的對比照片，(i) 透氣性測試的對比照片。

為了證明中空聚苯胺微球賦予了織物傳感器出色的電磁波吸收性能，同時對多模態傳感性能有提高作用，研究人員對不同濃度PHMs的織物傳感器的吸波性能、溫度、應變和摩擦電性能進行測試。結果顯示，中空聚苯胺微球的負載量增加，該織物的反射損耗（RL）響應減少，其峰值達到-48.2 dB，同時最大吸收帶寬為4.2 GHz（圖4e）。在溫度傳感過程中，其溫度靈敏度高達0.59% K^-1，此外還能實現高靈敏度的運動傳感，監測人體各種關節的運動信號。同時通過摩擦納米發電技術，該織物能在0.3秒內產生高達41 V的電壓，將其組裝為單電極模式，可以作為觸覺傳感器對接觸的物體進行摩擦電信號檢測。

圖4 (a) 原始織物、(b) PPy處理后的織物、(c) PPW-10織物、(d) PPW-20織物、(e) PPW-30織物在2–18 GHz范圍內反射損耗（RL）的二維圖，(f) PPW-30織物的?′-?′′圖（介電常數實部與虛部的關系）。

研究人員將織物傳感器模塊化設計，利用多個人機交互實驗驗證其傳感的靈敏性和準確性。例如基于摩擦納米發電的觸覺傳感功能可實現高效的觸覺交互，通過檢測觸碰動作，生成精確的電流信號變化（圖5c）。還可以通過手指的彎曲動作，實時捕捉彎曲、應變信號，精準識別點（“·”）和線（“－”）的編碼信息（圖5d-e）。此外，還可以實時監測織物表面的溫度變化，通過LED燈直觀顯示溫度等級。最后將這些功能模塊化集成于智能手套等可穿戴設備，可以實現精細化的操作和信息反饋（圖5a）。

圖5 (a) PPW織物集成在手套中，用于檢測多種手部傳感信號及與MCU交互的示意圖，(b) 用于摩擦納米發電觸覺傳感的工作原理，(c) MOSFET柵極在觸碰和釋放狀態下的短路電流，(d) PPW織物形變時間定義的“點”（·）和“線”（—）摩斯碼，(e) 表示摩斯密碼“Y”、“N”和“K”的相對電阻變化。

以上研究成果以“Hollow Polyaniline Microspheres Decorated Fabric Sensor with Electromagnetic Wave-Absorbing and Multimodal Sensing Toward Human–Machine Interaction”為題，發表在《Advanced Functional Materials》(DOI: 10.1002/adfm.202418071)。陜西科技大學輕工科學與工程學院閆凱副教授為通訊作者，陜西科技大學碩士生王俊為第一作者。該工作得到了國家自然科學基金、陜西省自然科學基金，陜西省重點研發計劃項目、咸陽市重點研發計劃項目以及西安交通大學助理教授李曉老師的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202418071

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（責任編輯：xu）

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