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郑高峰副教授团队应用于按需汗液检测有序TPU微纤维网的可控制备相关成果于《IEEE Sens. J.》发表


 

1.熔融静电纺丝技术制有序TPU微纤维网

汗液传感器的按需检测是实现剧烈运动场景下汗液监测的核心,汗液可控采样结构的设计与便捷制造具有重大意义和挑战性。近日,厦门大学航空航天学院郑高峰副教授团队采用可控熔融静电纺丝技术制备了疏水热塑性聚氨酯(TPU)柔性微纤维网作为汗液采样层,实现比色汗液传感器的按需检测。

 

研究者通过对TPU微纤维的立体成型和精确控制,实现纤维网膜透水的“通”、“断”状态的门控功能,提高了比色汗液传感器的使用效率(22倍)和稳定性(418%),可满足穿戴汗传感器在剧烈运动中的舒适性和适用性的使用需求。相关工作以 “Melt Electrowriting Ordered TPU Microfibrous Mesh for On-Demand Colorimetric Wearable Sweat Detection” 为题发表于国际重要期刊《IEEE Sensors Journal》(影响因子4.325,JCR升级版2区,中国仪器仪表学会推荐T1期刊)。

 

2.研究创新点

研究者引入微鞘气聚焦以消除TPU射流在电场下的螺旋鞭动过程,并研究了精确定点沉积和立体成型(图1a),实现纤维直写网格孔径与堆叠层数精确控制(图1b),增加了TPU微纤维网的厚度和均匀性(图1c),均匀度提升了359%。TPU微纤维网具有很强的弹性,能够轻易地折叠和无损恢复(图1d),贴肤性良好从而保证汗液检测过程的稳定性。此外,研究者对TPU微纤维网的液体定向传输能力和透水门控能力进行研究。当汗液较少而不足以突破疏水性采样层时,亲水试纸无法接触汗液,检测过程无法启动;当汗液增多突破采样层时,亲水试纸得以接触汗液,启动检测过程(图1e)。有序TPU微纤维网孔径和厚度均匀,能保证稳定的透水门控功能。进一步研究了汗液按需检测能力:有序微纤维网平均生效时间为44.38 min,与期望时间(45 min)的平均误差仅为1.1 min;而无序微纤维网平均生效时间为35.76 min,与期望时间的平均误差高达4.6 min;仅含有试纸时,平均生效时间为2.42 min,远远少于期望时间(图1f)。所制备的汗液传感器可按需要调整生效时间,当汗液传感器生效就意味着运动量已达到标准,运动者可以根据实时检测结果进行锻炼或休息安排,以确保人身安全。该研究成果为可控检测柔性传感器件的开发提供了一种新的思路与方法,有助于穿戴电子技术的发展具有重要的理论研究与工程应用价值。

 

图1 有序TPU微纤维网的熔融电纺制备、形貌、参数与按需汗液检测原理

 

3.研究团队介绍

厦门大学航空航天学院仪器与电气系郑高峰副教授为论文通讯作者,厦门大学航空航天学院仪器与电气系博士研究生邵尊桂为论文第一作者,研究工作得到了厦门大学航空航天学院仪器与电气系刘益芳副教授和厦门理工学院李文望教授、王翔副教授、姜佳昕老师的指导,参与论文研究工作的还有厦门大学航空航天学院仪器与电气系研究生陈华坛、王青峰、康国毅。本研究工作得到了国家自然科学基金项目(51805460),福建省科技计划项目(2020H6003, 2021J011196, 2022H6036),广东省自然科学基金(2022A1515010923, 2022A1515010949)等资助和支持。

 

引用:https://ieeexplore.ieee.org/document/9864139

 

原文来源:厦门大学航天航空学院

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