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《Chemical Engineering Journal》报道bepaly体育用于敏捷水上救援、火灾报警和人体运动检测的可穿戴织物传感器

发布日期:2023-12-11     作者:     浏览数:    分享到:

近日,化学工程领域刊物《Chemical Engineering Journal》以“Ultrahigh moisture resistance, highly sensitive and flame retardancy wearable strain sensor for agile water rescue, fire alarm and human motion detection”为题,报道了我院所制备的超高防潮、高灵敏、阻燃的可穿戴织物传感器用于敏捷的水救援、火灾报警和人体运动检测方面的研究成果。

纺织品具有天然的网络结构,与传统聚合物膜的致密结构不同,其理想的透气性、舒适性和出色的变形性使它与皮肤长时间接触和发生反复摩擦时而不会产生发红、肿胀或炎症等不良影响。这一特性为柔性传感器和可穿戴电子设备的构建提供了相当大的启发。然而,基于织物的传感器仍然存在挑战,它们天然的纤维结构非常容易受到人体汗水的影响,并且远远不能承受外界天气的干扰,如大雾、高湿、下雨等环境。此外,织物固有的高可燃性在接触热源时,会表现出快速的火焰蔓延行为,直接导致器件损坏,对人类生命和财产安全构成重大威胁。反应灵敏的火灾报警系统在火灾预防和控制中起着至关重要的作用。当警报被及时触发时,它使人们有必要的时间进行疏散和灭火工作。此类设备通常由传感器和电源组成,这给需要在极高温环境中具有高灵敏度和阻燃性的传感器带来了设计挑战。因此,新型超疏水阻燃织物基传感器具有广阔的发展前景,可以弥补传统柔性传感器在普遍使用中的局限性,对可穿戴电子设备的设计具有重要意义。

我院屈孟男教授和何金梅副教授研究团队通过层层沉积法制备出了一种多功能的智能纺织品(HPCF)。通过将PA掺杂态的PANI原位聚合在沉积有CB的棉织物上,赋予了织物优异的阻燃性能。其中,PANI优异的导电性将与CB协同增强HPCF织物的导电性,提高传感器的灵敏度。考虑到材料固有的亲水性会导致在潮湿环境中传感性能的不稳定。进一步地,作者通过无氟疏水颗粒HDTMS对复合材料改性,成功开发出一种具有优异超疏水性、阻燃且耐环境性的柔性透气HPCF应变传感器。该材料具有高灵敏度(16.14 kPa−1)、快速响应/恢复时间(82/40 ms)和超耐用的稳定性(超过10000次不间断的压力循环测试)。由于自身优异的疏水性和阻燃性能,HPCF能够在各种恶劣条件(极高温度、水下、酸、碱、盐和扬沙环境)下检测人体运动(如手指/手腕/肘部/膝盖/脚部运动)。更重要的是,它可以进一步应用于潜在危险场景的远程检测。结合摩尔斯电码传输系统,HPCF可以成功地在水下发送“SOS”和“HELP”信号,显示出巨大的海上人类救援潜力。在发生火灾时,它作为火灾报警传感器,实现敏捷(1 s)火灾报警。高灵敏度、多功能的HPCF织物传感器能够对在高温高湿环境下工作的消防和救援人员进行身体状态监测,这种基于智能织物的多功能柔性传感器为极端环境中可穿戴电子设备的设计提供了一种创新策略,这对于在恶劣环境下进行的所有人类活动都具有重要价值。

该论文实验部分主要由博士研究生刘清华(第一作者)完成,通讯作者为屈孟男教授和何金梅副教授。西安科技大学为唯一署名机构。该项研究得到了国家自然科学基金,陕西省高等学校青年创新团队,陕西省科技厅,西安科技大学胡杨学者计划等项目的资助支持。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147706

图1.超疏水导电HPCF复合材料的制备过程示意图。

图2.(a)HPCF粘附在消防员身体各部位进行感应的示意图。(b-g)HPCF传感器实时监测手腕、肘部、面部、膝盖以及步行和跑步过程中连续运动期间脚部的相对阻力变化。(h)2 × 2传感器阵列响应图和光学图像,对应于含水烧杯放置和抓取烧杯的压力分布。

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