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扬州大学戴华&高杰峰:用于各向异性应变传感和人体运动监测的超疏水非对称TPU/CNF纳米纤维复合材料的制备

学术动态    2022-07-22 15:09

DOI: 10.1016/j.cej.2022.137899

 

各向异性应变传感器具有多方向传感特性,可用于监测复杂人体运动。定向导电纳米纤维膜是各向异性应变传感器的理想选择。开发具有大工作应变范围、耐腐蚀性、优异耐久性和生物相容性的纳米纤维复合应变传感器仍面临挑战。在此,研究者提出了一种简便的真空过滤方法来制备用于各向异性应变传感的非对称纳米纤维复合材料。将碳纳米纤维(CNF)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)沉积在定向热塑性聚氨酯(TPU)纳米纤维膜表面,形成两层结构。PDMS确保了TPU纳米纤维和CNF层之间的强界面粘附力,从而赋予纳米纤维复合材料优异的表面稳定性和耐久性。超疏水CNF/PDMS构建了导电网络,而定向纳米纤维层提供了各向异性机械变形。制备的纳米纤维复合材料具有优异的生物相容性和生物安全性,无细胞毒性。非对称纳米纤维复合材料在力学性能和传感行为方面表现出各向异性。而且,该纳米纤维复合材料具有较大的工作应变范围和出色的传感耐久性,即使在腐蚀条件下也可用于监测身体关节的多向运动。此外,导电CNF/PDMS表现出优异的光热转换性能和负温度系数(NTC)行为,适用于各向同性温度传感。总体而言,非对称结构为多功能各向异性应变传感开辟了一条新途径。

 

图1.(a)TPU/CNF纳米纤维复合材料的制备示意图。(b)TPU/CNF-0.5表面(插图是放大图像)和(c)低温断裂表面SEM图像。(d)不同液体(盐溶液、硫酸溶液、氢氧化钠溶液和水)在拉伸TPU/CNF纳米纤维复合材料表面的图片。

 

图2.(a)非对称纳米纤维复合膜的电导率(CNF/PDMS层)和水接触角(WCA)随CNF含量的变化。CNF含量为(b)0wt%、(c)1wt%、(d)2wt%和(e)3wt%的纳米纤维复合材料的SEM图像。

 

图3.(a)浸入碱性溶液(min)、(b)循环冲砂、(c)循环超声洗涤(min)和(d)循环拉伸释放后纳米纤维复合材料的归一化相对电阻和WCA的变化。

 

图4.HaCaT细胞和NIH3T3细胞的增殖和活力。(a)HaCaT细胞和(b)NIH3T3细胞的MTT测定结果。(c)HaCaT细胞和(d)NIH3T3细胞孵育1、3和7天后的倒置荧光显微照片(比例尺=200μm)。

 

图5.超疏水非对称TPU/CNF纳米纤维复合材料在(a∥-c∥)平行和(a⊥-c⊥)垂直于纳米纤维排列方向的不同应变下的应变传感性能。

 

图6.30%应变下纳米纤维复合材料在(a∥)平行和(a⊥)垂直方向上的循环应变传感性能。V-TPU/CNF和P-TPU/CNF应变传感器的身体运动监测性能。P-TPU/CNF和V-TPU/CNF应变传感器用于(b)手腕弯曲、(c)手指弯曲和(d)肘部弯曲的应变传感信号。

 

图7.SEM图像显示P-TPU/CNF和V-TPU/CNF应变传感器在(a∥和a⊥)30%、(b∥和b⊥)50%和(c∥和c⊥)100%应变下的形态演变。

 

图8.(a)TPU/CNF纳米纤维复合材料在太阳灯周期性照射下的表面温度变化。(b)纳米纤维复合材料的长期光热转换行为。(c∥)循环温度传感性能。(d∥)∆R/R0随温度变化的线性拟合。