成果简介
本文，嘉兴大学Huan-Xia Zhang等研究人员在《ACS Appl. Polym. Mater.》期刊发表名为”Preparation of Graphene Thermally Responsive Double-Layer Composite Fibers via Dry Spinning for Wearable Intelligent Sensors”的论文，研究报告了一种在热响应传感器中使用柔性、高灵敏度双层复合纤维的创新方法。通过干法纺丝将聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）层和石墨烯层组装在一起，制备出了具有双重相应效应的双层纤维传感器。
该传感器利用双金属片原理和两种材料的热膨胀性能差异，实现了灵敏的热变形能力。通过在石墨烯层中掺杂TiO2和 TiN，传感器可以对光刺激做出反应。通过化学还原石墨烯制备的还原氧化石墨烯（rGO）/PMMA 双层纤维热响应传感器具有快速响应能力。当相对温度从 20°C 变化到 50°C 时，传感器的响应时间平均在 2 秒内，纤维材料的双向曲率变化率最大可达 300%。在湿度或光照温度的刺激下，传感器表现出实时、灵敏的电性能变化，具有出色的稳定性和可回收性。将双层纤维编织成二维（2D）织物，并通过传感器变形和电性能的变化来监测环境温度，为热传感和智能织物奠定了坚实的理论基础。
图文导读
图1. (a) 双层光纤传感器的制备。(b) 双层纤维的正视图。(c) 左、中、右分别为 rGO/PMMA、rGO-TiO2/PMMA 和 rGO-TiN/PMMA 表面的扫描电镜图像。(d）双层纤维的侧视图。(e) 左、中、右分别为 rGO/PMMA、rGO-TiO2/PMMA 和 rGO-TiN/PMMA 材料的截面 SEM 图像。
图2、双层纤维样品的表征。
图3、（a–c）分别对应于rGO/PMMA、rGO-TiN/PMMA和rGO-TiO2/PMMA曲率的温度曲线。（d） 掺杂TiN和TiO2的传感器的热传导机制。（e） 在相同温度下还原前后材料曲率的差异。
图4. (a) rGO/PMMA 在两种不同曲率下的电阻。(b、c）rGO/PMMA 在水和汗液中的电特性变化。(d) 与rGO-TiO2/PMMA 曲度相对应的材料电阻。(e、f）rGO-TiO2/PMMA 在水中和汗液中的电特性变化。(g) 左图为传感器受损的石墨烯层，右图为在潮湿环境中复原的复合材料的石墨烯层和 PMMA 层。(h、i）rGO-TiN/PMMA 在水和汗液中的电特性变化。(j) 传感器自我修复过程中材料电阻的变化。(k、l）材料还原前后的断裂强度断裂伸长率关系曲线。
图5. (a) 温度变化下 rGO/PMMA 织物的形态。(b)rGO-TiO2/PMMA 在红外光源刺激下的曲率变化。(c) 用rGO-TiO2/PMMA 编织的平纹织物在衣物上的应用。(d) 温度变化前后 rGO/PMMA 的渗透性。(e) 电阻测量示意图。(f) 温度变化时纤维电阻的变化曲线。
小结
通过干法纺丝将 PMMA 纤维和石墨烯纤维组装在一起，成功制备了双响应双层纤维传感器。利用双金属片原理和两种材料的热膨胀性能差异，传感器显示出灵敏的热变形能力。通过在石墨烯层纤维中掺杂TiO2和 TiN，传感器获得了光热响应。在温度变化的刺激下，PMMA 层膨胀，导致传感器的整体曲率发生变化。在光热条件下，掺杂的纳米金属会产生光热效应，导致材料弯曲。rGO-TiO2/PMMA 传感器的平均响应时间为 2-3 秒，在热驱动下，最大曲率变化率可达 300%。通过控制石墨烯层纤维的还原度和调整石墨烯层之间的间隙，传感器的热响应能力得到了提高，并表现出优异的电气稳定性。此外，双层纤维传感器还具有自修复性能，延长了传感器的使用寿命，拓展了使用场景。由双层纤维和涤纶长丝通过平纹编织法制成的二维织物可应用于服装，使其具有保温和透气性能，在热传感和智能织物方面具有广阔的应用前景。
文献：https://doi.org/10.1021/acsapm.4c00452
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