DOI: 10.1021/acsami.9b18823
本文提出了一種設計策略，使用基于全聚（偏二氟乙烯）（PVDF）納米纖維網的傳感元件和電極來監測人體呼吸，從而制備對氣流具有超敏感性的柔性彎曲傳感器（BS）。引入具有銀納米粒子界面的獨特靜電紡絲（集電極轉速為2000rpm，針尖到集電極距離為4cm），制備了高β相含量的銀摻雜取向的PVDF納米纖維網（AgOriPVDF，β相結晶度為44.5%）。在此之后，通過化學鍍銀技術（SP-AgOriPVDF）將部分制備的AgOriPVDF加工成柔性導電電極。有趣的是，帶有SP-AgOriPVDF電極的封裝AgOriPVDF 彎曲傳感器對注入的氣流表現出優異的壓電彎曲響應（開路峰-峰輸出電壓Vp-p≈4.6 V），比帶有導電帶電極的未包裝隨機排列的PVDF納米纖維網彎曲傳感器的壓電彎曲響應高200倍以上（Vp-p≈0.02V）。另外，對彎曲傳感器的彎曲靈敏度的影響因素，如β相含量、納米纖維取向、電極的柔性等，也進行了詳盡的分析和討論。本研究還證明了AgOriPVDF 彎曲傳感器具有足夠的能力來檢測和識別各種呼吸信號，為智能呼吸防護設備等可穿戴式應用提供了巨大的潛力。
圖1.使用生理記錄系統和壓電薄膜實驗室放大器測量壓電彎曲響應的呼吸模擬器示意圖。
圖2.使用PVDF納米纖維網的超靈敏柔性彎曲傳感器設計示意圖。（a）獨特的銀界面靜電紡絲（RSC=2000rpm和TCD=4cm）用于AgOriPVDF制備；（b）帶切割線的AgOriPVDF的兩個不同用途；（c）化學鍍銀工藝；（d）SP-AgOriPVDF，（e）層壓工藝，（f）共聚酯封裝，以及（g）帶有SP-AgOriPVDF電極的AgOriPVDF彎曲傳感器的照片。
圖3.（a）NeatPVDF和（b）AgOriPVDF在15至25°范圍內的XRD圖譜和相應的曲線反卷積，（c）NeatPVDF和AgOriPVDF在400至1500 cm-1波數范圍內的FTIR光譜，以及（d）銀納米粒子的表面電荷與β相CH2偶極子相互作用，以及（e）從α相到β相的躍遷的示意圖。
圖4.（a）NeatPVDF和（b）帶有SP-AgOriPVDF插圖的AgOriPVDF的照片。帶有（c）NeatPVDF和（d）AgOriPVDF的納米纖維直徑（左下插圖）和納米纖維排列角（右上插圖）統計分布的FE-SEM圖像（放大倍數為5000）。SP-AgOriPVDF的FE-SEM圖像，放大倍數為（e）5000，放大倍數為（f）20000。
圖5.（a）NeatPVDF和（b）AgOriPVDF傳感元件的壓電彎曲響應的比較，兩者均以導電帶作為電極而不進行包裝，并且兩個共聚酯封裝的AgOriPVDF 彎曲傳感器帶有（c）SP-AgOriPVDF電極和（d）導電帶電極。（e）循環疲勞測試：記錄的帶有SP-AgOriPVDF電極的共聚酯封裝的AgOriPVDF 彎曲傳感器在6000s（3000個循環）期間的開路輸出電壓，以及在1000s（左插圖）和5000s后的放大數據（10s）（右插圖）。并在相同條件下記錄所有數據（呼吸模擬器：壓縮頻率為0.5Hz，注入的空氣量為250mL/每組）。
圖6.（a）氣流彎曲的彎曲傳感器側視圖和彎曲過程中產生的偶極變化的示意圖；（b）具有對齊納米纖維和隨機納米纖維的兩個彎曲傳感器前視圖的比較及其力圖。（c）SP-AgOriPVDF電極和導電帶電極封裝的兩種AgOriPVDF彎曲傳感器的應力-應變曲線（15個循環）及其壓縮彈性模量（E）以及（d）SP-AgOriPVDF和導電帶的片電阻。
圖7.（a）當將兩個傳感器用膠帶輕輕地粘在白板上時，如插圖所示，比較商用壓電PVDF薄膜和靜電紡絲PVDF納米纖維網對被呼出空氣的熱電響應。（b）在開放環境中呼吸測量裝置的示意圖，在該環境中，呼吸空氣使AgOriPVDF彎曲傳感器偏轉。（c）帶有SP-AgOriPVDF電極的AgOriPVDF彎曲傳感器檢測到的各種呼吸模式。
微信二維碼
