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石墨烯改性PA66纤维,可用于哮喘监测和远程预警系统

发表时间:2021/3/18

智能传感器可分为压力传感器、应变传感器、温度传感器、湿度传感器、气体传感器等不同类型。其中,非接触式湿度传感器利用空气中湿度场的变化进行监测,可以有效避免机械接触和细菌交叉感染。但目前常用的湿度传感器材料主要由刚性半导体组成,其刚度大、变形难、稳定性差,较难应用于医疗监测器械。因此,通过合理的选材和结构设计来提高设备的灵活性和灵敏性,以确保其能适应各种可变形场合。



基于此,上海交通大学的研究团队通过将多层石墨烯(MG)负载到静电纺丝PA66纤维上,制备了一种用于哮喘监测的柔性MG/PA66湿度传感器(MPHS),可实现远程报警系统的哮喘监测。该柔性MPHS的高灵敏度可归因于电纺PA66纤维的比表面积大、吸水性官能团多。各项实验证实了MPHS有效可靠的非接触监测能力,在医疗卫生领域具有广阔的应用前景。



材料制备

该传感器的监测原理本质上是MPHS和空气之间界面上水分子的交换。因此,界面的比表面积和结构的亲水基团含量是两个决定性因素。研究人员通过静电纺丝获得了直径为数百纳米、具有大比表面积和尺寸增强效应的PA66纤维,并利用超声波处理将MG负载到PA66纤维表面,从而在相邻MG之间构建导电路径,表现出超敏感特性。


MPHS制备及性能表征


湿度敏感性

除了比表面积外,PA66纤维本身的特性也是提高MPHS敏感性的重要因素。PA66分子链中存在大量的胺基基团,很容易与水分子形成氢键。而且,PA66是一种半结晶聚合物,可利用水分子在晶区和非晶区的不同扩散度,结合超大比表面积对纤维网络物理结构的协同作用,提高湿度传感器的灵敏度。


水面上方的MPHS湿度检测


透气性

MPHS还具有优异的透气性和生物相容性,能够监测人类呼吸和其他湿度相关行为,并及时反映健康信息。例如,将其安装在用于呼吸监测的面罩内,当从嘴或鼻子呼出的空气通过MPHS时,携带的水蒸汽分子被PA66纳米纤维捕获和吸收,这进一步刺激了导电网络,导致电信号的变化,从而对人体相应的生理特征进行监测。


MPHS在人类呼吸监测和哮喘检测中的应用


研究者通过将MG负载到电纺PA66纤维上,开发了用于哮喘监测和非接触人机交互(HMI)系统高灵敏度MPHS。MPHS准确的呼吸监测和手指非接触滑动手势的精确识别,保证了婴幼儿哮喘监测、远程报警系统和非接触控制HMI的实现,在医疗卫生领域具有广阔的应用前景。

该工作以“Flexible Noncontact Sensing for Human–Machine Interaction”为题发表在《Advanced Materials》上。


论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100218

(来源:纺织导报官微)