《CEJ》: 一种适用于皮肤应变传感的贴合、耐用、粘合的焊接纤维片

以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL

由于电子皮肤在连续、长期的物理运动检测和生理信号监测方面的潜力而引起了极大的关注。然而，开发具有良好的透气性和粘附性的可整合地附着在皮肤上的皮肤上应变传感器仍然是一个挑战。

河北理工大学的苑文静团队设计出了一种超薄、轻质、透气的致密纤维基应变传感器，纤维片的模量与人体皮肤相似，其厚度和柔软度导致变形时对皮肤的机械约束最小。由于其在聚合物链和纤维链水平上的双升式弹性结构，焊接伴侣传感器具有较大的拉伸能力和传感耐久性。它可以在宽温度范围内工作，几乎没有温度干扰（图1）。相关工作在2022年12月28日以“A conformable, durable, adhesive welded fiber mate for on-skin strain sensing”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。

与常用的静电纺丝纤维接头不同，焊接接头在纤维结上交联（图2），具有良好的结构稳定性。在聚合物链水平上，弹性聚合物有三个基本元素：长聚合物链、良好的链柔韧性和温和的交联。焊接的纤维伴侣在微米尺度上表现出类似的基本元素，包括长纤维链、良好的纤维灵活性和通过焊接接头进行的温和的纤维交联。纤维伴侣在纳米和微米尺度上都可以看作是一种双升弹性结构。在每根纤维上，MXene薄片被均匀分布的C、Ti、F和Si元素紧密包裹。纤维伴侣的横断面扫描电镜（SEM）图像，其中包括两层：顶部焊接的MXene@PU纤维层和底部PVA纤维层。这两层与一些穿过界面的纤维形成紧密接触。PVA纤维的平均直径为200nm（图2e），远小于PU纤维（4.3 μm）。从横截面区域的EDS映射图像中可以观察到均匀的元素分布，表明MXene薄片均匀地装饰在纤维上。

厚度为10µm的超薄伴侣纤维重量较轻。由于其良好的柔软性和轻薄性，通过喷洒水雾溶解PVA纤维后，可以共形附着在任何基材上（图3a，b)。溶解的PVA与底物之间的氢键和范德华力相互作用导致了一个稳定的层间界面（图3a）。在配对涂层后可以清晰地看到指纹，表明其具有良好的贴合性。

焊接的伴侣传感器和基板之间的附着力对于精确的，长期的应变传感是必不可少的。如果传感器部分脱氨，转移到活性伴侣层的应力或应变就会减少，从而导致不可靠的传感结果。因此，我们对塑料、木材、纸张、皮肤等不同基质的双层纤维进行了剥离试验，以PU纤维/PVA薄膜（固体滴铸PVA层）和PU薄膜/PVA纤维（固体滴铸PU层）作为参照。结果表明，双层纤维与任何一种基底之间的层间粘附力均高于两种参照。

焊接的纤维伴侣是高度互联的，从而增强了结构的完整性。与非焊接纤维相比，纤维的机械强度略有提高，其拉伸能力相似（图4a)。更重要的是，由于焊接纤维连接，接头的弹性和抗疲劳性得到了增强。由于具有优越的电结，焊偶比非焊偶具有更高的导电性。对偶进行了动态应变，并记录了电响应。在10 %的拉伸应变下，焊接接头的滞后程度为14.2 %，而非焊接接头仅为的一半。

由于具有较高的导电性和机械强度，焊接接头具有更宽的传感范围（图5a)。例如，厚度为70 μm的焊接接头在0-60%的应变范围内经历温和的阻力增加，在60%-105%以上经历更大的阻力增加。传感稳定性是精确、可靠的应变传感的关键因素之一。焊接接头的结构稳定性为传感器提供了较高的传感稳定性。值得注意的是，尽管温度发生了变化，但这种焊接材料仍能产生稳定的应变响应。图5g显示，传感器在0-40◦C的温度范围内保持了其峰值形状和强度。图5h显示，交配体的模量和强度随温度的升高而减小。特别是在−20~0◦C的温度下，力学性能变化更明显。

图6a显示，焊接传感器附着在食指的不同位置上。坚固的层间附着力可以保护传感器在复杂的手指变形过程中不被脱层。在手指弯曲后，皮肤的变形可以被记录下来，并转化为电信号。总结这些信号可以得到一个应变分布的映射图像。图6b显示，弯曲时关节面积上的应变分布高于指骨上的应变分布。

由于焊接接头具有多孔性和导电性，可以作为皮上气体传感器。可拉伸性和/或灵活性对于在各种条件下可靠的气体传感器操作至关重要，如可穿戴平台和恶劣的户外环境。当用于气体传感时，伴侣传感器预计是应变不敏感的。为此，研究人员将焊接好的传感器设计成一个蛇形结构。蛇纹传感器可以拉伸到20 %的应变，电阻变化小于0.01，表明具有良好的电稳定性。这种蛇形气体传感器对挥发性有机化合物（VOC）高度敏感，如丙酮、甲醇和乙醇，其中丙酮是最敏感的一种。蛇形气体传感器具有优异的贴合性、拉伸性和机械性能，可以附着在衣服上，作为一种可穿戴的气体传感设备。

文章来源：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141233

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