福州大学赖跃坤、黄剑莹《ACS Nano》：基于透气针织织物的超疏水性增强溺水报警智能系统

可穿戴应变传感器在人体运动监测中引起了越来越多的兴趣，甚至可以检测关节运动和脉搏等微小的生理信号。但是该类电子设备在潮湿的环境中可能会失去其有效性，因此长期稳定地监测水下人体运动仍然是一个巨大的挑战，

日前，福州大学赖跃坤教授、黄剑莹副教授和韩国延世大学Cheolmin Park教授合作通过对氧化石墨烯和聚二甲基硅氧烷微纳米粒子的浸涂，制备了一种超疏水、导电的针织聚酯织物应变传感器（图1）。其中，试样的水接触角为156°，变形后（拉伸至原长度的2倍或弯曲至80°）仍保持在150°以上。此外，在300次磨损循环和20次加速洗涤循环后，样品在超疏水性和电导率方面表现出满意的机械稳定性。在传感性能方面，该应变传感器对水振动、水下手指弯曲、液滴冲击等不同形变均表现出快速而明显的响应。由于超疏水性和导电性的良好结合，以及针织聚酯织物的耐穿性和拉伸性，这种与蓝牙连接的无线应变传感器可以远程监控水上运动，如游泳，并可以在溺水情况下发出警报。相关工作以“A Breathable Knitted Fabric-Based Smart System with Enhanced Superhydrophobicity for Drowning Alarming”发表在《ACS NANO》。

图1. 超疏水导电织物的制备工艺示意图

超疏水导电织物的制备及表征

如图1所示，GO通过简单的浸涂工艺成功地沉积在聚酯针织物上，然后用HI溶液还原得到rGO@fabric。如图2a-b所示，在GO分散液中浸涂后，一层GO纳米片牢固而均匀地黏附在表面。然后将导电织物浸入PDMS MPs/NPs的分散液中。明显的一层不同大小的PDMS颗粒完全覆盖了GO层（图2c），微液滴在热凝固过程中变形并粘在一起。红圈中的纳米粒子代表从热处理获得的PDMS纳米粒子。经过HI还原后， I D/ I G的比值显著增加，表明GO成功还原为rGO，在织物表面形成连续的导电层（图2d）。PDMS MPs分散体呈现半透明乳白色，而热处理后获得的PDMS NPs呈现白色颗粒（图2e）。由于PDMS链中存在疏水键（−Si−O−）和亲水键（−CH 3），PDMS NPs被封闭在乙醇中，形成规则的球形形状（图2f）。液滴直径范围为0 ~ 11 μm，其中80%在3 ~ 7 μm范围内，呈正态分布（图2g-h）。如图2h所示，PDMS纳米粒子聚集在一起，纳米粒子的大小在164 - 396 nm之间，显示出相对均匀的大小(图2i)。

图2. 超疏水导电织物的制备及表征

应变传感器的物理性能

应变传感器的物理性能对其性能起着重要的作用，研究了相应的超疏水性、电导率和透气性。为了探究加载-卸载过程中的耐久性，研究者测量了不同伸长率和弯曲角度下样品的CAs（图3a-b）。如图3c-d所示，经过300个磨损循环和20个加速洗涤循环，CA分别从155°下降到147.3°和156.7°下降到149°。超疏水性的丧失可归因于PDMS微/纳米层的剥离。研究者同时检测传感器的透气性，如图3e-f所示。随着NH 3·H 2O的蒸发，pH试纸的颜色由黄色变为深蓝色，透气性较好。除了定性表征外，还对传感器在制造过程中每一步后的透气性进行了定量分析（图3g）。涂覆GO后，由于GO层对孔隙的部分阻挡，透气性从301 mm/s下降到263.3 mm/s，再涂覆PDMS MPs/NPs后透气性略有下降到250.3 mm/s。

图3. 超疏水导电样品的物理性能

应变传感器的传感性能

除了物理稳定性外，研究者还对所获得的应变传感器的传感性能进行了研究。图4a显示在50-150 mm/min的拉伸速度下产生的信号。传感器的Δ R/R 0值是可重复性的，并稳定在约38%，显示出与拉伸速度无关的电阻变化。在固定的拉伸速度下，研究了不同的应变。图4b为拉伸速度为100 mm /min，应变分别为5%、10%、30%和50%时的光纤应变传感器Δ R/R 0。随着应变的增加，对应的Δ R/R 0值分别为8%、17.5%、35%和42%，与应变近似呈正比例关系，保证了传感器对不同应变的识别。作为传感器的重要参数之一，响应时间也被精确地评估（图4c）。该传感器的响应时间约为20 ms，远低于已报道的其他机械传感器(70 ~ 200 ms)，可以满足日常运动的实际要求。此外，与最近文献报道的值相比，制备的样品的应变范围和GF均位于中上位置（图4d）。长期的循环稳定性和耐久性对传感性能起着至关重要的作用。当进行10000 s的30%应变的拉伸-释放过程（图4e）时，Δ R/R 0在40%时保持相对稳定，整个过程中只发生了很小的波动，表明传感器的稳定性非常好。

图4. 应变传感器的传感性能

水下小振动和人体运动的传感性能

考虑到制备的样品在应变传感和超疏水性方面的优异性能，这项工作还研究了水下小振动和人体运动的传感性能。Δ R/R 0的较高值可以归因于累积的振动效应（图5a-b）。总体而言，超疏水应变传感器表现出对不同水振动幅值的良好识别能力。在叩击烧杯壁后，传感器三次显示出类似的电信号（图5c）。为了测试传感器作为可穿戴设备在水下监测人体运动的性能，将传感器固定在手指上，然后浸入水下，并以不同的角度进行弯曲。Δ R/R 0值显示出与弯曲角度相对应的明显梯度变化，两个周期之间几乎没有差异（图5d）。考察了不同高度液滴和不同pH值液滴对冲击的响应（图5e-f）。从输出的电信号中，可以很容易地分辨出不同高度释放的液滴。

图5. 水下小振动和人体运动的传感性能

应变传感器应用于溺水检测

为了进一步研究应变传感器在实际应用中的应用，研究者将基于纤维的应变传感器集成到一个自行设计的无线蓝牙系统中，该系统可以检测溺水（由于缺乏运动）并发出警报。如图6a所示，该系统由应变传感器、电源、数据采集器、蓝牙发射器和蓝牙接收器组成。应变传感器固定在女孩形状的可游泳电动玩偶的膝盖上（图6b），并连接到数据采集器。当娃娃在游泳时划着腿时，智能手机接收到响应数据（图6c），可以识别不同程度的腿弯曲（图6b-c）。准确记录了两种不同频率的腿部运动，显示了良好的游泳检测性能。当关闭电动玩偶来模拟一个有溺水风险的游泳者时，反应曲线变成了一条水平线(红框)。一段时间后，屏幕上会出现一个危险警告，提示安全人员对这名游泳者进行潜在危险的调查。当玩偶再次被打开时，警报被解除，系统重新开始记录游泳者的动作。

图6. 应变传感器应用于溺水检测

小结：本研究提出了一种环境友好的方法来制备由rGO和PDMS微球修饰的超疏水导电织物应变传感器。该超疏水导电应变传感器可用于检测水中振动、水下人体手指弯曲等水下行为。通过集成到无线蓝牙智能系统，应变传感器可以用于定期游泳检测，并在游泳者有溺水风险时发出警报。该智能系统可用于在潜在危险的情况下进行远程探测，例如探测消防救援人员在工作中的安全情况。

原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c08325

来源：高分子科学前沿

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