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西安工程大學樊威/曼徹斯特大學李翼團隊 ACS Nano:一種抗汗液干擾、高靈敏有機半導體纖維體溫傳感器
2023-10-26  來源:高分子科技

  體溫是指身體的內部溫度。相對恒定的體溫是維持人體正常生命活動的重要條件之一。正常人的腋窩溫度為36.2?37.2°C。體溫超過41°C或低于25°C可能會對身體系統的功能,特別是神經系統產生嚴重影響,甚至可能威脅生命。2021年在中國甘肅舉行的馬拉松100公里越野賽中,有21名參賽者因天氣突然變化而導致體溫過低而死亡。人體對體溫的正常調節可因各種疾病而受損,從而導致體溫變化。因此,密切監測體溫并關注體溫變化可以幫助診斷和預防某些疾病。


  近期,西安工程大學樊威教授團隊聯合英國曼徹斯特大學李翼教授團隊將濕法紡絲技術與浸漬技術相結合,一步法制備了一種皮芯結構聚氨酯(PU/石墨烯Graphene包覆(3,4-乙烯二氧噻吩)-(苯乙烯磺酸鹽)PEDOT:PSS)的溫敏纖維。其與商業棉紗編織成溫敏織物,可以在日常活動中不間斷的實時監測人體體溫。如圖1所示,首先使用濕法紡絲的方法制備了PEDOT:PSS纖維,經干燥、去離子水洗滌、再次干燥后,將纖維浸漬入PU和石墨烯的混合溶液中,干燥得到了PU/Graphene@PEDOT:PSS纖維(復合纖維)。該纖維具有良好的柔韌性,可以任意的彎曲打結而不發生斷裂。 


1 PU/Graphene@PEDOT:PSS復合纖維的制備流程及形貌 


PEDOT:PSS纖維的表征及溫度傳感性能


  如圖2所示,SEM圖表明制備的純PEDOT:PSS纖維形貌良好(圖2a-b),通過EDSFTIR和拉曼光譜分析可以得知纖維在紡絲過程中沒有發生化學反應(圖2c-e)。探究了不同凝固浴比例、不同水洗時間處理后,純PEDOT:PSS纖維的電導率和溫感靈敏性能(圖2e-i)。 


3 PU/Graphene@PEDOT:PSS復合纖維的表征及溫度傳感性能


  SEM圖表明PU/Graphene已成功浸漬在PEDOT:PSS纖維表面(圖3a),并對不同石墨烯含量復合纖維的溫敏性能、熱導率及電導率進行了分析(圖3b-d)。PEDOT:PSS復合纖維的溫度分辨率為0.1℃(圖3e),滿足測量人體溫度微小變化的要求。PEDOT:PSS復合纖維還具有快速的響應時間(17s)以及良好的循環穩定性(圖3g-i)。 


PU/Graphene@PEDOT:PSS復合纖維及其織物的服用性能


  圖4展示了PU/Graphene @PEDOT:PSS復合纖維及其織物的相關服用性能。PU/Graphene @PEDOT:PSS復合纖維的溫度監測的準確性不受出汗或暴露在有水的環境的影響(圖4a)、具有良好的拉伸性能(圖4b)、良好的抗彎曲性能以及良好的耐磨性(圖4c-d)。此外,PEDOT:PSS復合纖維織成的織物具有與棉織物相當的透氣性和透濕性(圖4e),懸垂性測試也表明織物具有良好的懸垂性,穿著柔軟(圖4f)。 


5 PU/Graphene@PEDOT:PSS復合纖維及其織物的應用


  如圖5ab所示,紅外熱像儀和手機上顯示相同的溫度并且幾乎同時響應,表明PEDOT:PSS復合纖維足夠準確地監測人體溫度。基于這款纖維,作者設計了藍牙傳輸模塊,使溫敏纖維能夠監測體溫并通過手機將信息轉發給相關人員或監護人(圖5c-d,可以用于遠程醫療以及新冠疫情流行病等的防控。


  該工作以“An Antisweat Interference and Highly Sensitive Temperature Sensor Based on Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)?Poly(styrenesulfonate) Fiber Coated with Polyurethane/Graphene for Real-Time Monitoring of Body Temperature”為題發表在期刊《ACS Nano》上(一區TOPIF = 17.1第一作者及通訊作者為西安工程大學樊威教授,共同通訊作者為英國曼徹斯特大學李翼教授,合作者包括西安交通大學王淑娟副教授,西安工程大學吳帆博士、李云紅教授,南京林業大學葛省波教授,西安工程大學碩士研究生劉彤、劉金霖、雷睿心、王嬋,南京林業大學研究生葉浩然,安踏(中國)有限公司車秋凌博士。


  該研究得到了國家自然科學基金項目、國家紡織之光基礎研究計劃、陜西省重點研發計劃、陜西自然科學基礎研究計劃項目、陜西教育廳科研項目等項目支持。


  論文鏈接https://doi.org/10.1021/acsnano.3c04246 

  論文可免費下載。

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(責任編輯:xu)
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