東北大學劉常升教授團隊青勇權(quán)副教授課題組近日在《Advanced Functional Materials》發(fā)表最新研究。該研究通過集成MXene-殼聚糖導電層與氟化點線交織網(wǎng)狀涂層,成功制備出具備微/納米級裝甲結(jié)構(gòu)超疏水性的全天候兩棲電子紡織品。該材料具備優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性,在機械、化學破壞條件下以及水下、模擬海水等極端潤濕條件下仍能維持穩(wěn)定性能。
超疏水可穿戴柔性傳感器在兩棲環(huán)境人類行為監(jiān)測方面具有重要潛力。然而,在復雜的潤濕環(huán)境下,超疏水涂層極易失效,進而導致內(nèi)部導電網(wǎng)絡(luò)破壞,這一問題嚴重制約其實際應用。為此,本研究通過集成MXene-殼聚糖導電層與氟化點線交織網(wǎng)狀涂層,構(gòu)建一種微/納米裝甲結(jié)構(gòu)超疏水性的全天候兩棲電子紡織品(AWAE),為解決上述問題提供了創(chuàng)新性方案(圖1)。

圖1 超疏水全天候兩棲柔性應變傳感器的設(shè)計。(a)附著在人體皮膚上的超疏水可穿戴傳感器。(b)分層纖維結(jié)構(gòu)、層間連接性以及MXene納米片和超疏水涂層的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。(c)在構(gòu)建導電網(wǎng)絡(luò)和超疏水表面過程中纖維表面微結(jié)構(gòu)的演變。(d)水解硅烷偶聯(lián)劑、MXene-殼聚糖層和氟化點線網(wǎng)絡(luò)之間的結(jié)合。(e)AWAE在空氣和水下環(huán)境中的應用。
為評估AWAE在極端環(huán)境下的適用性,本研究對其進行了系統(tǒng)的穩(wěn)定性測試。借助拉伸、撞擊、超聲、膠帶剝離及砂紙磨損等機械破壞實驗,以及酸堿鹽溶液浸泡、極端溫度循環(huán)與紫外照射等化學破壞實驗,系統(tǒng)地檢測了AWAE超疏水性能(圖2)與傳感性能(圖3)的穩(wěn)定性表現(xiàn)。

圖2 AWAE的環(huán)境穩(wěn)定性。AWAE分別在(a)50%應變下1000次拉伸、(b)50 g重量從20 cm高度下降500次沖擊、(c)40 kHz和80 W下超聲作用12 h、(d)150次膠帶剝離、(g)在50 g重量下對1000目砂紙磨損13 m后的接觸角和滾動角;AWAE分別在(h)0.01 M HCl中浸泡400 min、(i)0.01 M NaOH中浸泡240 min、(j)3.5 wt.% NaCl中浸泡12 h、(k)?20 ℃下冷凍15 d、(l)不同的高溫下處理2 h、(m)紫外光照射10 d后的接觸角和滾動角;分別在(e)150次剝離,(f)13 m摩擦后的SEM圖像。

圖3 AWAE在極端環(huán)境下的傳感穩(wěn)定性。(a)10 g、20 g、50 g、100 g和200 g重量的砝碼負載;(b)手指按壓;(c)20 cm高度落下20克重物撞擊100次;(d)40 kHz,80 W超聲2 h;(e)200次小刀劃割;(f)200次膠帶剝離;(g)在50 g重量載荷下1000目砂紙磨損1m;(h)冷凝處理5 min;(i)污泥浸漬;(j)70 ℃加熱2 h;(k)?20 ℃冷凍2 h;(l)紫外線照射7 d。
通過對AWAE進行靈敏度、應變范圍及耐久性等關(guān)鍵傳感性能測試,表明其具備良好的傳感性能;進一步佩戴于人體不同部位進行監(jiān)測實驗,結(jié)果表明AWAE能夠有效監(jiān)測多種運動信號,展現(xiàn)出良好的人體信號監(jiān)測能力(圖4)。

圖4 AWAE的傳感性能的穩(wěn)定性與人體運動監(jiān)測。(a)AWAE的靈敏度系數(shù)和(b)在0.2%應變下的響應/恢復時間;不同條件下的相對電阻變化率:(c)小應變下的不同拉力、(d)50%應變下0.03125~0.25 Hz的頻率變化、(e)50%應變下的1500個循環(huán)、(f)0.25 Hz頻率下10~75%的應變變化、(g)膝關(guān)節(jié)彎曲,(h)手掌張開/閉合、(i)小腿肌肉放松/張力、(j)頭部轉(zhuǎn)動/點頭、(k)手指彎曲、(l)手腕屈曲、(m)肘部彎曲;(n)拉伸過程中AWAE導電層中微裂紋擴展示意圖。
在陸地極端環(huán)境穩(wěn)定性得到驗證的基礎(chǔ)上,為進一步評估AWAE在極端潤濕環(huán)境下的性能穩(wěn)定性,本研究對其開展水下及模擬海水環(huán)境的系統(tǒng)性能測試,結(jié)果表明AWAE在上述環(huán)境中仍能保持優(yōu)異的信號傳輸能力及長期耐久性(圖5)。進一步地,在模擬海水環(huán)境中,通過執(zhí)行不同手勢動作及抓握不同直徑的瓶子,分別輸出差異性信號,驗證其具備良好的環(huán)境適應性與信息辨別能力(圖6)。

圖5 AWAE的穩(wěn)定水下傳感性能。從空氣中浸沒在(a)自來水和(b)3.5 wt.%的NaCl溶液的模擬海水中期間的相對電阻變化;(c)在模擬海水中浸泡并重新暴露在空氣中的MXene-殼聚糖紡織品時檢測到的傳感信號;分別在(d)自來水和(e)模擬海水中浸泡的AWAE再次暴露于空氣中時檢測到的傳感信號;在模擬海水中(f)手指和(g)手腕屈曲的不同角度的傳感曲線;(h)模擬海水中AWAE的循環(huán)傳感曲線;在模擬海水中影響(i)MXene-殼聚糖紡織品和(j)AWAE信號傳輸?shù)臋C理。

圖6 AWAE的潛在水下應用。(a)不同手勢的光學圖像和(c)在空氣中和(e)在模擬海水中的相對電阻變化;(b)抓取具有不同直徑物體的光學圖像和(d)在空氣中和(f)在模擬海水中的相對電阻變化;(g)AWAE在水沖擊下的潤濕狀態(tài);(h)人手(上圖)和機器人手(下圖)之間的運動同步及(i)相對電阻變化;(j)附著在鯊魚尾部的AWAE示意圖和(k)鯊魚模型游泳運動期間的相對電阻變化;(l)AWAE與傳統(tǒng)超疏水傳感器的性能比較。
綜上所述,本研究通過協(xié)同集成MXene-殼聚糖導電層和氟化點線交織網(wǎng)狀涂層,開發(fā)了一種具有微/納米裝甲結(jié)構(gòu)的超疏水全天候兩棲電子紡織品。該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性,在機械應力、化學破壞和極端溫度條件下保持超疏水性和高導電性。其微納結(jié)構(gòu)可在固液界面構(gòu)筑空氣屏障,抑制液體滲透,實現(xiàn)在模擬海水中700次穩(wěn)定循環(huán)。此外,AWAE可精準捕獲人體關(guān)節(jié)運動信號、識別水下手勢并促進機器人協(xié)作。本研究為兩棲運動監(jiān)測、水生生物行為追蹤和人機交互系統(tǒng)提供了強大且可擴展的解決方法。未來,通過結(jié)合無線通信和人工智能算法,有望進一步推動面向全水域應用的智能型全天候電子紡織品的發(fā)展。
東北大學材料科學與工程學院碩士研究生張廣瑩為本文第一作者,東北大學材料科學與工程學院副教授、博士生導師青勇權(quán)為本文通訊作者,東北大學為唯一完成單位。該論文獲國家自然科學基金面上項目與廣東省基礎(chǔ)與應用基礎(chǔ)面上項目的共同資助。
原文鏈接:
All-Weather Amphibious E-Textile with Micro/Nano-Armored Superhydrophobicity for Underwater Motion Sensing
Guangying Zhang, Haoyang Song, Xinyue Zhang, Kaiqi Long, Yang Cai, Yibo Liang, Xiaoyu Zhang, Changsheng Liu, Yongquan Qing
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202523681