天津科技大学生物基纤维材料国家重点实验室刘阳/安兴业/刘洪斌CEJ：耐用、透气、防汗和可降解应力传感器

作为最丰富的生物质和可再生聚合物，纤维素已经应用于诸多电子器件中，如超级电容器、纳米发电机、变压器、光电探测器和传感器。然而，纸的亲水性使得这些设备对水的抵抗力非常低，由于水的浸泡和汗水的腐蚀，纸基可穿戴设备的使用寿命和稳定性大大降低。因此，实现耐用、透气、耐汗、可降解的应变传感器仍然是一个巨大的挑战。

近日，天津科技大学轻工科学与工程学院刘洪斌/安兴业/刘阳在Chemical Engineering Journal上发表了题为“Durable, breathable, sweat-resistant, and degradable flexible sensors for human motion detection”的研究文章。该文章通过将纸依次浸涂到MXene悬浮液和木质素阴离子松香施胶剂中，制造出耐用、透气、防汗和可降解的柔性纸张/MXene/施胶剂（PMS）传感器。PMS柔性应变传感器在0~120°的弯曲角度下表现出高灵敏度（GF=161），在30°的弯曲变形下表现出超过100000次的优良抗疲劳性。它还显示了卓越的疏水性（接触角=133.4°），良好的透气性（154.08mm/s）和高降解性。

在PMS传感器中，纸质基材作为可降解的、透气的、柔韧的支架材料。MXene赋予复合材料高的传感性能，因为它具有高导电性、良好的降解性和易于功能化等特性。施胶剂作为环境友好和疏水的封装层用于提高PMS的疏水性，同时保护MXene层不被损坏（图1）。

图1 PMS柔性应变传感器的制备过程以及柔韧性和疏水性示意图

研究发现，PMS柔性应变传感器在0~120°的弯曲角度范围内显示出161的优异灵敏度和高线性度；在30°的弯曲角度下，ΔR/R₀的峰值是稳定的，在应变速率从1~8mm/s增加时保持不变，显示了典型的与速率无关的传感行为。PMS传感器的透气性为154.08mm/s，有着较好的透气性，从而保证了佩戴的舒适性（图2）。

图2 PMS柔性应变传感器的传感性能和透气性

为了证明PMS柔性应变传感器在实际应用中的可行性，将传感器与蓝牙信号传输技术相结合，实现了人体运动无线检测（图3）。传感器被装配在手腕上，用于检测志愿者运动后的脉搏，显示出有规律和稳定的感应模式。该传感器还可以有效地监测重复的肘关节运动，同时具有良好的稳定性。最后，将传感器连接到志愿者的手指上，并将其置于水中。事实证明，PMS柔性应变传感器具有良好的疏水性。

图3 PMS柔性应变传感器的在不同场景下对运动行为的监测和穿戴舒适性

该文章通过简单的连续浸涂方法，提出了一种耐久性、透气、疏水和可降解的纸/MXene/施胶剂（PMS）柔性应变传感器。这项工作对在人体运动监测中开发实用和舒适的纸基可穿戴电子设备提供了实际指导。

论文第一作者是生物基纤维材料国家重点实验室、天津科技大学轻工科学与工程学院2020级博士研究生管敏，轻工学院刘洪斌教授，安兴业副教授，刘阳博士为该工作的通讯作者。

该研究得到国家自然科学基金委、国家重点研发计划、天津市大学生创新创业训练计划的支持。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723008823#f0005

本文由作者供稿