慧海拾贝 | 用于应变传感的耐湿弹性石墨烯染色羊毛织物

用于应变传感的耐湿弹性石墨烯染色羊毛织物

研究背景

柔性、可拉伸性、生物相容性和舒适性都是未来可穿戴电子产品的愿望清单。近年来，与可穿戴传感器集成的服装实现了许多智能功能，如运动传感、生命体征监测和手势识别。用于这些应用的传感器需要快速响应、高灵敏度、宽传感范围和稳定的数据采集能力。有了这些优势，人类的物理和生物信息可以被自动方便地检测、记录和分析，并通过智能设备进一步传递到云端，以进行更复杂的诊断。纺织材料具有柔软、可变形、透气等固有优点。它们为可穿戴传感器提供了理想的解决方案，以减轻聚合物涂层材料的限制。利用天然纤维结构和织物探索新的传感机制，实现无缝、无侵入性、美观的体域网络(BAN)，具有低批量生产成本的潜力。

创新点

本文提出了一种羊毛针织物传感器，该传感器用氧化石墨烯（GO）染色，然后用L-抗坏血酸（L-AA）还原（rGO）处理。这种基于rGO的应变传感器具有高度可拉伸性、可清洗性和耐用性，具有快速传感响应。它表现出优异的线性，伸长率超过20%，最重要的是，它能承受30%至90%的水分（甚至浸泡在水中），并且仍然保持良好的性能。同时，文章进一步证明，通过将这种提出的材料与近场通信（NFC）系统集成，可以构建无电池、无线可穿戴的身体运动传感器。

文章解析

图1. 制作工艺和织物力学性能。

（a） rGO/羊毛针织物和应变传感器的制造过程示意图；（b） 纯羊毛针织面料；（c） rGO面料；（d） 罗纹环状结构；应力-织物在（e）x方向和（f）y方向上的应变；（g） 织物在加热和L-抗坏血酸（L-AA）还原后的耐张性。

图2. 石墨烯织物的表征。

（a−d）不同放大倍数下织物的SEM图像；（e） GO和rGO织物的拉曼光谱；（f） 原始、GO和rGO织物的能量色散X射线光谱（EDX）；（g） 织物在洗涤循环下的抗张性及其在洗涤10个循环后的SEM图像。

图3. rGO/羊毛针织应变传感器的表征。

（a） x和y方向上的相对电阻变化是拉伸应变的函数；（b） 相对电阻变化与循环拉伸-伸长率为5%、10%、20%和40%时的释放；（c） 在频率为0.125、0.25、0.5、1和1.25 Hz的循环拉伸-释放下的相对电阻变化；（d） 相对电阻随应变的增加而变化；（e） 在拉伸应变为20%的情况下，传感器在500次循环下的耐久性；（f） 第一个循环和500个循环中相对电阻变化的滞后。

图4. 面料的舒适性与透气性。

（a−c）说明了热通量、蒸汽水分和液体汗液传输的自控平衡系统；（d−f）原始、GO和rGO织物的液态水传输特性；（g） 原始、GO和rGO织物的透气性；（h） 原始、GO和rGO织物的热导率；（i） 在25°C和30°C的温度下，相对电阻随湿度的增加而变化；（j） 在湿度为20%和90%以及浸入潮湿条件下拉伸-释放（循环伸长率为20%）时传感器的相对电阻变化。

图5. rGO/羊毛针织应变传感器的原理。

（a） 不同放大倍数下无应变传感器的环结构和SEM图像；（b） 在y方向上拉伸的传感器的环结构和SEM图像；（c） 无应变织物的等效电路模型；（d） 织物在y方向上拉伸的等效电路模型。

图6. 用于人体运动检测的应变传感器。对人类运动的反应包括：（a）手腕弯曲，（b）手指以不同角度弯曲，（c，d）呼吸，（e）说话和（f）吞咽。（g） 带有刺绣近场通信（NFC）和rGO/羊毛针织应变传感器的无线传感系统；（h） 无线传感系统框图。

读后感

本文提出一种基于rGO染色羊毛织物的多功能应变传感器。该传感器具有高达22%的延伸率的大线性弹性，伴随着65%的电阻率变化。该传感器的响应时间快，在500次拉伸-释放循环后，其性能非常稳定，每个循环可承受高达20%的伸长率，传感器在释放应变后迅速恢复。此外，在人体上出汗是不可避免的，基于rGO染色羊毛织物传感器在潮湿甚至潮湿条件下仍保持其传感能力。因此，它可以直接用作人体上的可穿戴纺织传感器。该传感器可以成为监测大范围人类活动的理想可穿戴设备。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b20964