近日，東華大學(xué)朱美芳院士、潘紹武研究員等人，通過制備具有良好分散性和強(qiáng)基底粘附性的石墨烯/聚苯乙烯磺酸鈉(GNS/PSS)水性分散液，將其浸漬并負(fù)載于纖維或紡織材料基底上，用于構(gòu)建多功能纖維基傳感器件及發(fā)光器件。
該工作以“Versatile graphene/polyelectrolyte aqueous dispersion for fiber-based wearable sensors and electroluminescent devices”為題，最新在線發(fā)表于《Science China Materials(科學(xué)中國-材料)》上。東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生繆振宇為論文第一作者，潘紹武研究員為通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金等的支持。
因具有輕便、柔軟和可穿戴的特性，纖維基電子器件是一種理想的可穿戴器件。使用導(dǎo)電分散液修飾纖維或織物是制備纖維基電子器件的高效且易于規(guī)模化的方法。石墨烯具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和高電導(dǎo)性，但制備與纖維或紡織材料兼容的石墨烯分散液仍面臨挑戰(zhàn)。
表面活性劑聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)因其高分子量和聚電解質(zhì)特征，能夠顯著提升石墨烯的分散性和與基底的粘附強(qiáng)度。PSS疏水端的長烷烴鏈和苯環(huán)，與石墨烯形成強(qiáng)非共價相互作用，其親水端的磺酸基團(tuán)可以與水形成氫鍵。此外，PSS能夠增強(qiáng)石墨烯間的靜電斥力，促進(jìn)石墨烯的分散。這些因素使得GNS/PSS分散液展現(xiàn)出低至0.32的動態(tài)不穩(wěn)定性指數(shù)，同時其與熱塑性聚氨酯(TPU)基底的粘附力達(dá)到0.72 N/mm2。
將GNS/PSS分散液負(fù)載于TPU纖維基底制備的應(yīng)變傳感器具有100%的高拉伸性和144.6的靈敏度，能夠檢測到0.1%的微小應(yīng)變。DMSO預(yù)處理提高了纖維的表面粗糙度，促進(jìn)導(dǎo)電材料的牢固嵌合，確保穩(wěn)定的傳感器性能，為其在人體運(yùn)動檢測中的應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。
基于GNS/PSS分散液，制備導(dǎo)電TPU納米纖維膜，并集成于商業(yè)化繃帶，獲得表皮電生理電極，能夠長時間記錄肌電信號和心電信號。得益于織物繃帶電極與皮膚形成良好的貼合，該電極在長期使用過程中能夠保持穩(wěn)定的界面阻抗，從而記錄運(yùn)動中的心電信號。此外，即使在使用7天后，電極依然能夠記錄高質(zhì)量的肌電信號。這將進(jìn)一步拓展其在人體健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。
通過浸漬GNS/PSS分散液制備高導(dǎo)電聚酰胺6(PA6)纖維電極，再逐層噴涂發(fā)光層及其他功能層，構(gòu)建同軸電致發(fā)光纖維，其驅(qū)動電壓低至1 V/μm，亮度達(dá)50.08 cd/m2。作為概念驗證，這種纖維發(fā)光器件能夠集成在潛艇模型的表面，為潛艇在執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)時提供水下環(huán)境照明，展現(xiàn)出在深海研究領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。這將進(jìn)一步拓展其在人體健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。
