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東華大學(xué)王華平/陳仕艷《ACS AMI》:可拉伸的纖維基液體傳感器用于智能尿不濕
2022-04-28  來源:高分子科技


  近期,東華大學(xué)王華平教授團(tuán)隊(duì)以細(xì)菌纖維素(BC)為水敏感基體,碳納米管(CNTs)為活性傳感材料,通過溶液紡絲和卷繞工藝制備了一種無襯底的、自拉伸的細(xì)菌纖維素/碳納米管(CNTs)螺旋復(fù)合纖維基液體傳感器。BC/CNT(BCT)纖維傳感器展現(xiàn)出超過1000%的高拉伸率,在1s內(nèi)電流變化率可以達(dá)到104%的快速響應(yīng),并且傳感性能幾乎不受洗滌、各種拉伸或打結(jié)變形的影響。與商超傳統(tǒng)紙尿褲或量尺結(jié)合,還可以獲得智能紙尿褲或水位探測(cè)器,可以快速響應(yīng),通過報(bào)警裝置或手機(jī)可實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控智能紙尿褲或水位的狀態(tài)?傊,自拉伸BCT復(fù)合螺旋纖維的可拉伸性和連續(xù)制備性,將為日常生活中應(yīng)用的可穿戴式傳感器(如智能尿布、水位檢測(cè)等)的開發(fā)提供了廣闊的平臺(tái)。該工作以“Self-Stretchable Fiber Liquid Sensors Made with Bacterial Cellulose/Carbon Nanotubes for Smart Diapers”為題發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。文章第一作者是東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2020級(jí)博士研究生梁欠倩。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委和東華大學(xué)創(chuàng)新基金的支持。


1 基于干濕紡絲技術(shù)的BCT復(fù)合螺旋纖維的制備流程圖。

2 傳感器的水感應(yīng)性能。(a)水傳感器測(cè)量裝置示意圖。(bBCT5-1.2傳感器在1.5s循環(huán)速度下的循環(huán)電流變化率曲線。插圖顯示了循環(huán)電流變化曲線的局部放大細(xì)節(jié)。(c)響應(yīng)時(shí)間的確定定義為浸入水中達(dá)到最大電流變化率所需的時(shí)間。BCT5-1.2傳感器在100%d)、500%e)、1000%拉伸(f)、180°彎曲(g)、打結(jié)(h)、60分鐘洗滌(i)不同變形下的循環(huán)電流變化率曲線。插圖顯示了傳感器在水中相應(yīng)變形下的I–V曲線,以及不同變形前后的相應(yīng)照片。


3 a)傳感器在人工尿液中的循環(huán)傳感性能(插圖顯示了循環(huán)電流變化率曲線的局部放大細(xì)節(jié))。(b)傳感器在尿布不同位置的電流變化。(c)傳感器位于尿布外側(cè)時(shí),電流隨時(shí)間變化,插圖顯示了電流變化曲線的局部放大細(xì)節(jié)。(d)尿布分層結(jié)構(gòu)示意圖。(e)用于連接LED的電路連接示意圖。(f)智能尿布佩戴在嬰兒身上在無尿狀態(tài)時(shí)LED沒有工作。(g)嬰兒身上佩戴的智能尿布,在產(chǎn)生尿液時(shí)LED工作。(h)無線藍(lán)牙模塊。(i)穿著智能尿布的嬰兒。(j)與手機(jī)相連的電路連接示意圖(ADC是模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。(k)沒有尿液時(shí)的手機(jī)顯示界面。(l)有尿液時(shí)的手機(jī)顯示界面。


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于以細(xì)菌纖維素為基體的紡絲組裝的相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。對(duì)于細(xì)菌纖維素的紡絲,團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了將細(xì)菌纖維素進(jìn)行TEMPO氧化處理,然后進(jìn)行納米纖維紡絲,對(duì)紡絲條件進(jìn)行了詳細(xì)的研究(ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 24, 20330–20339;)。同時(shí)采用堿溶解的方法制備了基于細(xì)菌纖維素的水凝膠(Nanoscale, 2019, 11, 15347;J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 12574;Desalination 500 (2021) 114899等)。對(duì)于細(xì)菌纖維素基智能纖維的研究是該團(tuán)隊(duì)一直的研究方向,將其用于傳感器,超級(jí)電容器等(ACS Nano 2020, 14, 11, 15428–15439Chemical Engineering Journal 368 (2019) 1022–1032;Electrochimica Acta 283 (2018) 1578e1588;Chemical Engineering Journal 391 (2020) 123527等);谥暗难芯,他們發(fā)現(xiàn)細(xì)菌纖維素的部分溶解性使其具有自增強(qiáng)的獨(dú)特性能,為此團(tuán)隊(duì)對(duì)其系統(tǒng)探索了溶解條件和紡絲條件對(duì)纖維性能的影響,以及其應(yīng)用的探究。過去兩年中,首先制備了高強(qiáng)度的細(xì)菌纖維素纖維以及具有螺旋結(jié)構(gòu)的細(xì)菌纖維素纖維(ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 1545?1554),而且探索了其與碳納米管等活性材料復(fù)合紡絲用于超級(jí)電容器的研究(Chemical Engineering Journal 427 (2022) 131904),接下來團(tuán)隊(duì)將對(duì)細(xì)菌纖維素智能化的開發(fā)和研究進(jìn)行進(jìn)一步的深入探索。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c00960


通訊作者簡(jiǎn)介


  陳仕艷教授簡(jiǎn)介:

  東華大學(xué)材料學(xué)院研究員。致力于細(xì)菌纖維素形成機(jī)理、多重結(jié)構(gòu)調(diào)控、原位制備及功能材料研究。獲得2014紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)(4/12),2014紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)一項(xiàng)(1/10), 2015年上?茖W(xué)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)(3/12), 2015年桑麻紡織科技一等獎(jiǎng)。2018年上海市教育系統(tǒng)巾幗建功標(biāo)兵。第十五屆上海市婦女代表大會(huì)代表。


  王華平教授簡(jiǎn)介

  東華大學(xué)研究員,博士生導(dǎo)師,高性能纖維及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心副主任。長(zhǎng)期致力于纖維科學(xué)和工程研究,在聚酯纖維材料改性、加工及其資源綜合利用基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用研究方面取得了系列創(chuàng)新性成果,發(fā)表SCI論文100余篇;授權(quán)發(fā)明專利108項(xiàng)。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)5項(xiàng),省部級(jí)科技成果獎(jiǎng)23項(xiàng);獲中國(guó)紡織學(xué)術(shù)大獎(jiǎng)、全國(guó)優(yōu)秀科技工作者、改革開放40年紡織行業(yè)突出貢獻(xiàn)人物、何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)、百千萬人才工程國(guó)家級(jí)人選、全國(guó)創(chuàng)新爭(zhēng)先獎(jiǎng)、中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)特別貢獻(xiàn)獎(jiǎng)(桑麻學(xué)者)等榮譽(yù)稱號(hào)、享受國(guó)務(wù)院特殊津貼。參與制訂“中國(guó)化纖工業(yè)十二五及十三五規(guī)劃”、創(chuàng)建中國(guó)化纖流行趨勢(shì)研究與發(fā)布平臺(tái)、建設(shè)國(guó)家先進(jìn)功能纖維制造業(yè)創(chuàng)新中心、編撰《中國(guó)大百科全書》纖維分卷,推動(dòng)行業(yè)綠色制造,智能制造及標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。


課題組介紹


  東華大學(xué)化纖工程研究中心團(tuán)隊(duì),起源于滌綸高速紡絲課題組,至今已有近40年的歷史,是纖維成形理論研究與工程技術(shù)開發(fā)的專業(yè)團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)秉承科教融合的教育理念,堅(jiān)持做有價(jià)值的研究,致力于纖維材料的創(chuàng)新研究與技術(shù)開發(fā),在纖維新材料設(shè)計(jì)、紡絲成形理論與技術(shù)、功能纖維和高性能纖維、纖維綠色制造與智能制造等方面形成了多個(gè)有特色的研究方向,并拓展至復(fù)合材料、納米材料、新能源材料等相關(guān)領(lǐng)域。


  承擔(dān)國(guó)家“六五”、“七五”、“八五”攻關(guān)項(xiàng)目,“十一五”、“十二五”科技支撐項(xiàng)目,“十三五”、“ 十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目,國(guó)家自然基金項(xiàng)目,省市部重點(diǎn)基礎(chǔ)項(xiàng)目,以及企業(yè)技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目多項(xiàng);獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)5項(xiàng) ,省市部科技獎(jiǎng)多項(xiàng);基礎(chǔ)研究成果發(fā)表在行業(yè)有影響力的雜志上,技術(shù)開發(fā)成果獲得多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外授權(quán)專利并部分實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。


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