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智能服饰有了碳纳米管,实时监测“上线”了
2021/09/18 点击 2561 次

中国粉体网讯  最近,美国莱斯大学研究人员推出了一款“智能”衬衫。该衬衫使用交织的碳纳米管纤维提供与皮肤的稳定电接触,能够持续收集心脏活动数据。该衬衫在8月30日《纳米快报》上发表的一篇论文中首次“亮相”。这种纤维与金属一样具有导电性,但可清洗、穿着舒适,并且在身体运动时断裂的可能性很小,强度可比肩凯夫拉和碳纤维。


莱斯大学的工程师马泰奥·帕斯夸里说:“由于导电性、与皮肤的良好接触性、生物相容性和柔软性,碳纳米管线是可穿戴设备的天然组成部分。”研究团队进行了实验,将智能衬衫记录实时心率数据的能力与典型的胸带监视器进行比较,结果发现衬衫表现得更好,该衬衫的性能可与市售的电极监测器相媲美。



美国莱斯大学研究生劳伦·泰勒展示带有碳纳米管纤维的衬衫

(图片来源:美国莱斯大学)


碳纳米管自1991年被Iijima发现以来,已成为最有前途的材料之一。就其物理性质而言,可以区分为两种不同的形式,即单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管(SWCNT)基本上是单个石墨烯片的卷曲形式,可以是扶手椅型、锯齿形或手性形式。多壁碳纳米管(MWCNT)则由多层不同结构的卷起的石墨烯片组成,称为俄罗斯娃娃模型。


碳纳米管聚合物复合材料被认为是传统智能材料的替代物。1)碳纳米管的结构:碳纳米管是一类由无缝石墨圆柱体组成的材料,具有极高的纵横比。2)碳纳米管的力学性能:碳纳米管具有高刚度和轴向应力,其杨氏模量在270GPa至950GPa的范围内,除此之外碳纳米管还显示出高达63GPa的高拉伸强度。3)碳纳米管网络的机电性能和压阻性能:碳纳米管聚合物复合材料具有渗透行为,碳纳米管网络之间的互连形成导电路径。


碳纳米管基应变传感器的研究应用


1、碳纳米管薄膜


Yamada等报道了一种由排列整齐的单壁碳纳米管薄膜制成的可穿戴可拉伸传感器。首先利用水辅助化学气相法在图案化的催化剂表面垂直生长SWCNT薄膜,通过调控生长时间可以在一定范围内任意控制SWCNT的长度。然后将薄膜分别组装在扁平狗骨式二甲基硅氧烷(PDMS)弹性衬底上,保持SWCNTs的排列方向垂直于应变轴,用该方法可以制备任意长度的薄膜材料。


当拉伸这种薄膜材料时,纳米管薄膜断裂成间隙和孤岛,间隙之间通过管束桥联。可以承受高达280%的应变(是传统金属应变传感器的50倍),具有耐久性高(150%应变下可承受10000次循环)、响应快(延迟时间14ms)以及蠕变低(100%应变下只有3.0%)等优点。将碳纳米管传感器装配在袜子、绷带和手套上,可用来精确地监测人体大幅度和快速的运动方式。


2、碳纳米管纤维



现代纳米制造技术突飞猛进,纳米纺织技术可以制备直径几到几十微米的纤维传感器,为高拉伸、高灵敏传感器的制备创造了条件。


Baughman课题组采用一体化编织工艺,制备了以氨纶(SPX)为核、CNTs为鞘的复合高弹性导电针织纺织品。将SPX用CNTs阵列的抽丝带包覆,直接供给针织机,形成:维导电可拉伸织物。通过调整SPX/CNT比例,可在870-7092 S/m范围内调控织物电导率。导电性与拉伸应变密切相关,在0%-80%的应变范围内,加载和卸载过程中导电性呈线性变化,且基本无滞后电阻。这种针织纺织品融合了应变感知和智能服装所需尺寸、可以同时监控穿戴者的动作,并可以根据需要调整服装的合身程度或施加压力。该方法简单高效,可用于工业上应变传感和智能纺织品的批量生产与加工。


3、碳纳米管3D打印


Kim等人报道了利用熔融沉积模型(FDM)将功能化纳米复合丝材料3D打印直接制作多轴力传感器的方法。制备的传感器由结构部分和传感部分两部分组成,结构部分采用热塑性聚氨酯(TPU)长丝打印,传感部分采用CNTs/TPU纳米复合长丝在结构部分表面压阻印刷,结构与传感材料可同时进行3D打印,可以制作具有传感功能的三维结构。


小结:


目前已经发展了多种类型的可穿戴传感电子产品,例如:应变传感器、温度/湿度传感器、电生理信号探测器、电化学传感器等。其中,应变传感器是可穿戴电子器件必不可少的重要组成部分。人体的柔性要求可穿戴应变传感器具有可重复拉伸、弯曲、弹性和扭转等性能。近年来随着一维碳纳米管和二维石墨烯等具有独特维度的先进碳材料研究发展,碳材料已经成为应变传感器的研究热点。不同的碳材料,性能也不同,如何利用碳纳米管及其它碳材料的优势,对开发同时具有高灵敏和高拉伸的应变传感器的研究至关重要。


参考文献

1、梁菁菁. 碳基柔性复合材料制备及其应变传感性能研究

2、陈钦. 碳纳米管/聚氨酯涂层导电纤维与织物的应变传感行为研究

3、周艺颖. 智能服饰中柔性压阻传感器的制作及应用研究

4、科技日报. 碳纳米管将普通衬衫变成心率监测器


(来源:中国粉体网)


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