西安工程大学:碳纳米管/木质素碳纳米纤维的环保灵敏应变传感器

成果简介

柔性应变传感器具有良好的柔韧性，易于与纺织品或人体皮肤结合，因此在智能可穿戴设备领域蓬勃发展，具有良好的应用前景。然而，所选用的传感层材料普遍对环境不友好，拉伸范围和灵敏度也有待进一步提高。因此，制备绿色环保、拉伸范围大、灵敏度高的应变传感器成为我们目前研究的重点。木质素是自然界中含量第二高的绿色生物质聚合物，对开发绿色应变传感器具有重要意义。

本文，西安工程大学刘呈坤教授团队在《 ACS Appl. Nano Mater.》期刊发表名为“Environmentally Friendly and Sensitive Strain Sensor Based on Multiwalled Carbon Nanotubes/Lignin-Based Carbon Nanofibers”的论文，研究通过电纺丝、预氧化和碳化制备了多壁碳纳米管（MWCNTs）/木质素基碳纳米纤维（LCNFs）。具体来说，将水溶性木质素磺酸钠（SLS）和聚乙烯醇（PVA）混合，并使用MWCNT作为功能填料。然后将 MWCNTs/LCNFs 涂覆在聚氨酯（PU）薄膜上，制成生物质应变传感器。

制备传感层所用的原料和溶剂丰富且环保，由于LCNFs和MWCNTs的协同作用，所制备的传感器具有拉伸范围宽、灵敏度高、重复性好的优点。在0–160%和160–240%的应变范围内，GF分别为137.3和2746.4，并且能够保持良好的重复性（超过10 000次拉伸循环）。此外，该传感器在人体活动监测和手机蓝牙信号传输方面表现良好，表明该传感器在智能穿戴设备领域具有非常好的应用前景。

图文导读

图1.（a） SLS的来源和分子结构和（b）制备基于MWCNTs/LCNF的应变传感器。

图2.SLS/PVA比值对前驱体纳米纤维和LCNFs性能的影响

图3.MWCNT含量对MWCNTs/LCNFs性质的影响

图4.PU/LCNF或PU/MWCNTs/LCNF的组合和协同特性的表征

图5、LCNF和基于 MWCNT/LCNF 的应变传感器的性能

图6.基于MWCNTs/LCNF的应变传感器在人体运动中的演示

图7.基于MWCNTs/LCNF的应变传感器，用于人体运动的无线监测

小结

采用掺杂MWCNTs的SLS/PVA水溶液，通过静电纺丝、预氧化和碳化等方法，成功制备了环保、高导电、柔性的MWCNTs/LCNFs。此外，以所制备的MWCNTs/LCNFs为传感层，PU膜为基底层，组装出拉伸范围大、灵敏度高、稳定性好、耐久性好的应变传感器。已经证明，所制备的传感器通过监测人体运动信号具有良好的应用传感性能，通过设计由应变传感器、蓝牙模块集成电路板和手机组成的系统，实现了人体运动的无线监测。因此，所制备的基于MWCNTs/LCNF的应变传感器可作为智能可穿戴设备领域人体运动监测的器件，可为该领域的研究人员提供参考。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsanm.3c02073