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静电纺技术为构建功能性电子皮肤提供新思路!

能源环保    2021-09-18 17:18

导语部分

电子皮肤作为一种新型可穿戴仿生触觉传感器,是一类能够模仿人类皮肤保护、感知、调节等功能的人造柔性电子器件。电子皮肤关系到柔性机器人、医疗设备、人体假肢等载体的智能化和多功能化,受到众多研究人员的广泛关注。近年来由于制备方法和选用材料的限制,电子皮肤的力学响应性能和灵敏度还有待进一步提升,同时没有彻底解决透气性的问题,由此影响了使用者的生理体验和热湿舒适性。对于模拟人类皮肤,要求电子皮肤触觉传感器具有很好的柔性和弹性,能柔软地贴合在人体皮肤表面,同时保持长期的机械稳定性,不至于因弯折而坏掉。

以下内容汇总了近期静电纺丝技术在功能性电子皮肤方面的新进展,供大家学习交流!

 

1.Nano Energy:机械互锁的可拉伸纳米纤维,用于多功能可穿戴摩擦电纳米发电机

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新加坡南洋理工大学李佩诗提出了一种物理互锁策略,通过同时静电纺丝聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)和电喷雾苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS),来实现自互锁可拉伸、透气和防水的纳米纤维膜。

➣利用由液态金属(镓铟锡颗粒)和银薄片组成的可印刷电极,研制出一种具有高摩擦电输出(85V,219.66 mW m-2)和电耐久性的可拉伸纳米纤维基TENG(SNF-TENG)。能够从人体运动和流水中收集能量,为200个商用LED和电子表供电。

➣可拉伸纳米纤维膜表现出良好的机械柔顺性,可以轻松地衔接到可拉伸纺织品上以制备纺织品-TENG,其有望在电源、智能雨衣、自供电电子皮肤和触觉交互界面等方面实现舒适的可穿戴应用。DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105358

 

2.Sci. Adv.:一种基于摩擦纳米发电机的可呼吸、可生物降解、抗菌和自供电的全纳米纤维电子皮肤

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中科院北京纳米能源与系统研究所研究团队设计了一种基于摩擦纳米发电机的透气可降解抗菌自供电的全纳米纤维电子皮肤,实现了机械能收集和人体全身生理和关节运动信号自驱动传感。

➣通过将聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)和聚乙烯醇(PVA)纳米纤维膜分别作为起电层和基底,银纳米线(AgNW)作为中间层,形成了具有多层交错纳米纤维网络和众多三维微纳孔洞结构的基于摩擦纳米发电机的电子皮肤,有利于人体皮肤与外界环境的热湿传递。

➣该电子皮肤的最大输出功能为130 mW /m2、电压响应灵敏度为0.011 kPa-1,可以实现人体全身生理信号(如微表情、脉搏、呼吸和发声)和关节运动(如指关节、手肘、膝盖和脚踝)的实时非侵害自供电监测。

DOI:10.1126/sciadv.aba9624

 

3.ACS Appl. Mater. Interfaces: 基于MXene复合纳米纤维支架的可穿戴电容压力传感器用于人体生理信号采集

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➣本文报道了一种用于超低压测量的高灵敏度、高可靠性电容压力传感器的简易制备方法,通过将MXene(Ti3C2Tx)/聚偏二氟-三氟乙烯复合纳米纤维支架夹在生物相容性聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸/聚二甲基硅氧烷电极之间作为介电层。

➣所制备的传感器具有0.51 kPa-1的高灵敏度和1.5 Pa的最低检测限。此外,它还可以在较宽的压力范围(0-400 kPa)内实现线性传感,即使在超高压下也能在10000次循环期间实现较高的可靠性。

➣电与原始PVDF-TrFE纳米纤维支架相比,通过MXene负载可提高纳米纤维基传感器的灵敏度,从而将介电常数提高至40,压缩模量降低至58%。

DOI:10.1021/acsami.0c05819

 

4.Sensors:基于AgNW/TPU复合介电层的高灵敏度电纺柔性压力传感器

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北京服装学院汪滨副教授基于静电纺丝技术,使用热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)电纺纳米纤维膜作为可拉伸基材,结合银纳米线(AgNWs)来构建复合介电层,创建了一种可能解决此问题的新型电容式柔性压力传感器。

➣通过丝网印刷将碳纳米管(CNT)涂在TPU膜上作为柔性电极,以保持传感器的柔性和透气性。

➣该传感器显示出高灵敏度(在9.0×10-3〜0.98 kPa范围内为7.24 kPa-1)、低检测极限(9.24 Pa)、出色的透气性以及快速响应(<55 ms)。连续按压/释放循环超过1000s和弯曲超过1000次都不会损害该柔性压力传感器的灵敏度、稳定性和耐用性。

➣这种将弹性体纳米纤维膜与AgNWs相结合的策略,有望在电子皮肤和可穿戴设备中得到广泛应用。

DOI:10.3390/s20092459

 

5. Adv. Funct. Mater.:具有高弹性和透气性的全纤维结构电子皮肤

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东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士和丁彬研究员利用静电纺丝技术,基于摩擦起电和静电感应效应,制备了一种全纤维结构的自供能电子皮肤。

➣选用电负性高、机械性能好的PVDF纳米纤维作为感应层,同时克服了静电纺碳纳米纤维的脆性问题,开发了具有优异柔性和导电性的碳纳米纤维作为电极层,通过与高拉伸性和化学稳定性的PU纳米纤维基底层复合,得到具有高弹性和透气性的电子皮肤。

➣该电子皮肤具有良好的传感性能,在0-180 kPa的压力传感区间内,传感灵敏度达到0.18 V kPa-1。当电子皮肤压力传感阵列拉伸形变至50%,依然保持稳定的压力响应性和机械耐久性。同时全纤维结构电子皮肤具备良好的透气性能,水蒸气透过率可以达到10.26 kg m-2d-1。

DOI: 10.1002/adfm.201908411

 

6. Adv. Funct. Mater.:柔性、透气电子皮肤设备用于按需治疗

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北京化工大学张立群教授和万鹏博教授介绍了一种具有实时温度传感能力和伤口部位按需及时抗感染治疗功能的柔性、透气的电子皮肤设备。

➣由交联电纺盐酸莫西沙星(MOX)负载热响应聚合物(n -异丙基丙烯酰胺-康-甲基丙烯酰胺)(C-PNHM)纳米网薄膜组装而成,其中,纳米网薄膜上具有丝网印刷的导电图案(SC-PNHM)。

➣当感染发生在伤口部位并伴有温度升高的指示物时,由导电图案SC-PNHM纳米膜组装柔性加热器,按需触发热响应纤维释放MOX,以消除细菌感染。

➣透气、柔性的电子设备结合了良好的温度敏感性和加热效率,具有广泛的应用前景,包括医疗诊断、智能伤口敷料、电子皮肤和人机交互。

DOI: 10.1002/adfm.201902127

 

7.Nanoscale:静电纺构建类皮肤柔性生物传感器实现人体健康监测

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冯雪教授团队通过静电纺丝和热处理制备出具有优异压敏性的多功能三维碳纳米纤维网络(CNFNs)构筑成类皮肤传感器用于监测人体生理信号。

➣作者将PAN与二甲基甲酰胺(DMF)混合后加入AlCl3制得前驱体溶液,经电纺和热处理后得到CNFNs,其压力敏感性为1.41kPa−1,远高于类似的三维多孔材料。

➣将器件与人体贴合测量温度、脉搏、呼吸等参数;将器件与心血管系统贴合,可以测量心脏生理参数等。CNFNs还具有超轻密度、疏水性、低导热性和低红外发射率特点。低红外发射率也可以使CNFN传感器设计的人工电子皮肤增加红外隐身性能。

➣这些综合性能可以拓展CNFN传感器设计的人工电子皮肤的应用,表明CNFN作为轻质保温材料或具有疏水性的红外隐身材料具有广阔的应用前景和有效性。

DOI: 10.1126/sciadv.1701629