复旦大学吕银祥教授《ACS AMI》：低成本高灵敏碳基层状多功能传感织物

来源：高分子科学前沿

可穿戴电子设备如智能手环、智能眼镜和GPS定位鞋等的市场需求在不断增大。根据预测，仅2021年可穿戴设备的销量就将高达5.05亿件，但是在实际应用中仍面临巨大的挑战，其高昂的成本和灵敏度低等问题限制了其发展。针对这一问题，复旦大学吕银祥教授利用高弹性的氨纶织物作为柔性基底，通过原位还原法和“浸渍-提拉”法制备了rGO/石墨/PVA复合层状导电织物，实现了低成本和高灵敏的目标。

该导电织物以莫代尔/氨纶混纺针织物作为柔性基底，先通过原位还原法沉积还原氧化石墨烯层，再利用简单高效的“浸渍-提拉”法沉积自制“砖-砂-浆”结构导电纳米碳基墨水与PVA的混合溶液，通过改变浸渍次数调节织物电导率，得到具有较高导电性和柔性的耐洗导电织物。

图1 多功能传感织物的制备流程示意图、微结构表征及可靠性测试。

该导电织物在拉伸过程中出现了灵敏度跳跃式增加的有趣现象，作者对此进行了分析发现在拉伸过程中由于“砖-砂-浆”结构的PVA表层、还原氧化石墨烯中间层及织物基底层在不同拉伸强度下的形变具有较大差异，导致较大的导电通路变化从而引起了灵敏度在某些临界点急剧增加的现象。此外PVA表层的厚度对临界点有较大影响，但具体临界点产生的条件还需要做进一步的研究。

图2 多功能传感织物的拉力传感性能测试。

基于表层PVA及基底中纤维素纤维可逆的溶胀性质，该导电织物还具有高灵敏、可重复和稳定的湿度传感。

图3 多功能传感织物的湿度传感性能测试。

该导电织物用于人体的运动识别，可通过机器学习建立精准数据库用于纠正专业运动员的训练姿势及监测身体脱水状态。

图4 多功能传感织物的应用。

总结：针对传感织物在传感过程中低灵敏性和迟滞现象的问题，设计了能产生分级拉力传感性能的层状结构并揭示了多层结构对传感行为的传感机制，实现了高灵敏和低迟滞的目标。这种低成本高灵敏的多功能织物在可穿戴电子设备的应用中具有巨大的潜力。相关成果以“Multifunctional and Ultrasensitive rGO and Pen ink/PVA DecoratedModel/Spandex Fabric for High-performance Wearable Sensors”发表在 《ACS Applied Materials & Interfaces》上。18级博士生毕思伊为第一作者，吕银祥教授为通讯作者。