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《ACS Nano》经久耐用的电子衣电极材料——纳米纤维增强弹性体导体
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《ACS Nano》经久耐用的电子衣电极材料——纳米纤维增强弹性体导体

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  • 日期:2020-06-08 15:31

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《ACS Nano》经久耐用的电子衣电极材料——纳米纤维增强弹性体导体

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传感紧身电子衣是将传感器嵌入紧身衣中的一种电子织品,用以获取某些数据。如运动员们的电子衣,通过获得训练过程中的心率、呼吸频率等,调整训练方案。近年来,电子衣逐渐走向医疗保健、可穿戴电子设备、电子纹身等领域。对于传感紧身电子衣来说,最重要的是舒适、采集数据过程中无干扰,对人体无害的物理探测。另外因为紧身电子衣使用过程中需承受循环压力,如何在循环压力作用下,保持电子衣的性能,准确探测特定数据,成为了研究的热点。

 

近日,东京大学Takao Someya教授团队报道了一款高性能的可循环拉伸、可打印的纳米纤维增强弹性体导体。该弹性体导体的初始电导率为3667 Scm-1,在450%应变下仍高达1018 Scm-1,有望用于电子衣的可靠导体材料领域。相关工作发表在《ACS Nano》中的“Highly Durable Nanofiber-Reinforced Elastic Conductors for Skin-Tight Electronic Texiles”中。

该弹性体导体的制备方法如图1所示,简单的制备工艺,使得该弹性体导体的大规模工业化应用成为可能。

 

图1 先利用静电纺丝制备PVDF纳米纤维框架,然后利用镂空板印刷将含银氟橡胶打印于PVDF纳米纤维框架中,最终制备得到弹性体导体。

 

在应力作用下,PVDF纳米纤维可以容易分散应力,同时和氟橡胶有良好相容性,较好的阻止裂纹产生与扩散。这一方面提高了材料的力学性能,另一方面可以阻止因为产生裂纹而使导电性下降(图2)。进一步,研究者使用该弹性体导体与介电材料合制简易的电容器,通过拉伸-释放的循环测试,测量其相对电容变化。发现相对电容变化与应变呈现非常好的线性关系(R2=0.995),并且在多个循环中,仍能保持良好的重现性。

 

图2 (a)电导率-应变曲线。(b)纳米纤维含量与弹性体导体可延展性和初始导电率的关系。(c)应力应变曲线。(d)纳米纤维含量与硬度关系。

 
 

研究者们将所得的弹性体导体制成应变传感器(方法同上制备电容器),并置于紧身衣中,探测试验者运动过程中,手肘的应变情况。通过测量传感器电容变化,可以得到与应变很好的对应性(图3)。

 

图3 利用本研究中的弹性体导体制成应变传感器并置于紧身衣手肘处,探测测试者手肘在运动与休息时应变变化情况。

 
 

该弹性体导体——利用了PVDF纳米纤维增强含银氟橡胶,在保持良好导电性的同时,增强了力学性能和循环耐久性,且制备的方法简单方便,最后展示了其在应变传感器紧身衣中的应用。该弹性体导体给可穿戴电子纺织品提供了可靠性的柔性导体材料,有望未来应用于个性化医疗及智能机器人领域。

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