由于其轻便、柔软和可穿戴的特性，纤维基电子器件是一种理想的可穿戴器件。使用导电分散液修饰纤维或织物是制备纤维基电子器件的高效且易于规模化的方法。石墨烯具有稳定的化学性质和高电导性，但制备与纤维或纺织材料兼容的石墨烯分散液仍面临挑战。
近日，东华大学朱美芳院士、潘绍武研究员等人在Science China Materials发表研究论文，通过制备具有良好分散性和强基底粘附性的石墨烯/聚苯乙烯磺酸钠（GNS/PSS）水性分散液，将其浸渍并负载于纤维或纺织材料基底上，用于构建多功能纤维基传感器件及发光器件。
表面活性剂聚苯乙烯磺酸钠（PSS）因其高分子量和聚电解质特征，能够显著提升石墨烯的分散性和与基底的粘附强度（图1）。PSS疏水端的长烷烃链和苯环，与石墨烯形成强非共价相互作用，其亲水端的磺酸基团可以与水形成氢键。此外，PSS能够增强石墨烯间的静电斥力，促进石墨烯的分散。这些因素使得GNS/PSS分散液展现出低至0.32的动态不稳定性指数，同时其与热塑性聚氨酯（TPU）基底的粘附力达到0.72 N/mm2。
图1. GNS/PSS水性分散液的结构和特性表征
将GNS/PSS分散液负载于TPU纤维基底制备的应变传感器具有100%的高拉伸性和144.6的灵敏度，能够检测到0.1%的微小应变（图2）。DMSO预处理提高了纤维的表面粗糙度，促进导电材料的牢固嵌合，确保稳定的传感器性能，为其在人体运动检测中的应用奠定了良好基础。
图2. 纤维基应变传感器的应变传感性能
基于GNS/PSS分散液，制备导电TPU纳米纤维膜，并集成于商业化绷带，获得表皮电生理电极，能够长时间记录肌电信号和心电信号（图3）。得益于织物绷带电极与皮肤形成良好的贴合，该电极在长期使用过程中能够保持稳定的界面阻抗，从而记录运动中的心电信号。此外，即使在使用7天后，电极依然能够记录高质量的肌电信号。这将进一步拓展其在人体健康监测领域的应用范围。
图3. 织物绷带电极用于电生理信号检测
通过浸渍GNS/PSS分散液制备高导电聚酰胺6（PA6）纤维电极，再逐层喷涂发光层及其他功能层，构建同轴电致发光纤维，其驱动电压低至1 V/μm，亮度达50.08 cd/m2（图4）。作为概念验证，这种纤维发光器件能够集成在潜艇模型的表面，为潜艇在执行复杂任务时提供水下环境照明，展现出在深海研究领域的应用潜力。这将进一步拓展其在人体健康监测领域的应用范围。
图4. 发光纤维的结构形态、发光特性及水下照明应用
该工作以“Versatile graphene/polyelectrolyte aqueous dispersion for fiber-based wearable sensors and electroluminescent devices”为题，最新在线发表于Science China Materials上。东华大学材料科学与工程学院硕士研究生缪振宇为论文第一作者，潘绍武研究员为通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等的支持。
文章信息
Zhenyu Miao, Rouhui Yu, Xiaowen Bai, Xiangheng Du, Zhonghua Yang, Tao Zhou, Meifang Zhu, Shaowu Pan. Versatile graphene/polyelectrolyte aqueous dispersion for fiber-based wearable sensors and electroluminescent devices. Sci. China Mater. (2024).
https://doi.org/10.1007/s40843-024-2961-5
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