基于复合纳米纤维膜的离子传感器制备及其性能

doi:10.13475/j.fzxb.20231200101

基于复合纳米纤维膜的离子传感器制备及其性能

梁文静¹^,², 吴俊贤¹^,², 何崟^,¹^,², 刘皓¹^,²

1.天津工业大学纺织科学与工程学院, 天津 300387

2.天津工业大学智能可穿戴电子纺织品研究所, 天津 300387

Preparation and performance of ion sensors based on composite nanofiber membranes

LIANG Wenjing¹^,², WU Junxian¹^,², HE Yin^,¹^,², LIU Hao¹^,²

1. School of Textile Science and Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China

2. Institute of Smart Wearable Electronic Textiles, Tiangong University, Tianjin 300387, China

通讯作者: 何崟(1985—),女,副教授,博士。主要研究方向为智能纺织品与服装、可穿戴传感材料及电子器件。E-mail:heyin@tiangong.edu.cn。

收稿日期: 2023-12-4 修回日期: 2024-01-23

基金资助:

国家自然科学基金项目(52203276)
天津市科委科技人员服务企业项目(22YDTPJC00560)
中国博士后基金项目(2021M691699)

Received: 2023-12-4 Revised: 2024-01-23

作者简介 About authors

梁文静(1997—),女,硕士生。主要研究方向为智能可穿戴纺织品。

摘要

为开发具有高稳定性、高灵敏度的柔性离子传感器,采用静电纺丝法制备聚偏二氟乙烯(PVDF)/离子液体(IL)复合纳米纤维膜,与电极材料组装成三明治结构的离子传感器。探讨了纺丝液质量分数及IL含量对纺丝工艺和纤维膜形貌的影响;其次利用能量色散X射线光谱仪和红外光谱仪表征了复合纳米纤维膜所含元素分布与化学结构;进一步利用柔性传感器测试系统探究了不同IL含量、不同厚度的纳米纤维膜对于传感器性能的影响。结果表明:在PVDF质量分数为18%~19%,且与离子液体量比为2∶1或3∶1时,复合纳米纤维膜表面规整,串珠少,纤维直径分布均匀,带电离子数量增多且分布均匀;随着PVDF/IL纳米纤维膜的厚度增加,离子传感器的检测范围逐渐增大,灵敏度逐渐降低;在聚偏二氟乙烯质量分数为18%,且与离子液体的量比为2∶1时,离子传感器在 0~40 kPa 的检测范围内具有32.471 pF/kPa灵敏度的压力感测,在5 000次加载-循环中保持突出的力学稳定性,并且可应用于分辨人体关节运动的检测。

关键词： 聚偏二氟乙烯; 离子液体; 静电纺丝; 纳米纤维膜; 柔性离子传感器

Abstract

Objective In order to develop a flexible ion sensor with high stability and sensitivity, polyvinylidene fluoride ionic liquid ((PVDF)/IL) composite nanofibrous membranes were prepared by electrostatic spinning, and assembled with electrode materials to form an ion sensor with a sandwich structure.

Method The effects of spinning liquid mass fraction and IL content on the spinning process and fibrous membrane morphology were investigated using scanning electron microscopy, and the elemental distribution and chemical structure of the composite nanofibrous membranes were characterized using energy dispersive X-ray spectroscopy and Fourier transform infrared spectroscopy. The effects of nanofibrous membranes with different IL contents and thicknesses on the sensor performance were investigated using the flexible sensor test system (FSTS), and the ion sensors were attached to human skin and clothes for body signals and motion monitoring, and the real-time output electrical signals were recorded using the FSTS.

Results When the mass ratio of PVDF was 18%-19% and the dosage ratio of ionic liquid was 2∶1 and 3∶1, the composite nanofibrous membranes had a regular surface, fewer beads, and a uniform distribution of fibre diameters. The addition of ionic liquid increased the number of charged ions in the PVDF nanofibre membranes and made them uniformly distributed. The pressure sensing sensitivity of the ion sensor in the detection range of 0-40 kPa was 32.471 pF/kPa at a PVDF mass fraction of 18% and an ionic liquid dosage ratio of 2∶1. The increase in ionic liquid content in the composite nanofibrous membrane ion sensor resulted in a significant increase in the sensitivity of the sensor. As the thickness of the nanofibre membrane increases, the detection range of the sensor gradually increases and the sensitivity gradually decreases. The hysteresis of the ion sensor was 6.64% with no significant delay or dependence at different pressure levels, with compression rate of 5 000 loading cycles. Ion sensors attached to the surface of human skin and clothing was able to distinguish the motion of the human body by the output pressure-capacitance curves.

Conclusion The composite nanofibre membrane-based ion sensor exploits the supercapacitive property of the electric double layer (EDL) to accurately detect small-amplitude human motion and large-amplitude joint motion. Meanwhile, the composite nanofibre membrane ion sensor has a pressure sensing with a sensitivity of 32.471 pF/kPa in the detection range of 0-40 kPa, maintains outstanding mechanical stability after 5 000 loading-cycles, has a low hysteresis rate (6.64%) and has no significant delay and dependence. The membrane can be applied in the future to communication with deaf people, human-computer interaction, intelligent control and other fields.

Keywords： polyvinylidene fluoride; ionic liquid; electrostatic spinning; nanofiber membrane; flexible ion sensor

PDF (13672KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

梁文静, 吴俊贤, 何崟, 刘皓. 基于复合纳米纤维膜的离子传感器制备及其性能[J]. 纺织学报, 2024, 45(04): 15-23 doi:10.13475/j.fzxb.20231200101

LIANG Wenjing, WU Junxian, HE Yin, LIU Hao. Preparation and performance of ion sensors based on composite nanofiber membranes[J]. Journal of Textile Research, 2024, 45(04): 15-23 doi:10.13475/j.fzxb.20231200101

柔性离子传感器已经被广泛应用于医疗健康、运动检测、智能手套、智能三维机器人、电子皮肤等领域^[1⇓-3]。对于制备高性能的柔性离子传感器,除在材料方面进行改进外,离子传感层结构的设计对于提高传感性能也至关重要,特别是对于界面离子电子式传感器,其传感性能取决于电极层与离子聚合物基体之间的接触面积,更好的压缩性才能获得更大的接触面积变化,从而提高柔性离子传感器的灵敏度^[4-5]。

对于传统的离子凝胶传感器,通常是无内部微结构的,并且需要考虑严密的封装方法来保证离子传感器在使用过程中离子液体不会外溢而导致离子传感器性能降低^[6]。Li等^[7]通过多材料数字光固化3D打印技术,设计和制造了大量具有多模式传感能力的无泄漏离子电子传感器。Zhou等^[8]通过在静电纺丝的聚偏二氟乙烯(PVDF)纤维膜上浸涂自制聚乙烯醇/碳纳米管(PVA/CNT)浆料,制备了一种新型压阻式压力传感器,研究了不同质量分数PVA-CNTs浆料和不同静电纺丝层聚偏二氟乙烯网络的柔性传感器的传感性能,结果发现含有2%碳纳米管浆料的双层PVDF网络制成的传感器具有良好的灵敏度、宽传感范围和低滞后效应,此外,在35 kPa 的压力下,传感器在80次压缩循环中也表现出良好的稳定性,并可应用于手指运动监测。Liu等^[9]通过在PVDF微孔介质的孔隙中填充离子液体来制作具有微孔介质的透明柔性压力传感器。离子液体起着重要作用:首先,多孔材料和离子液体之间的折射率匹配使光学介质均匀化,消除光散射,实现高达94.8%的透射率;其次,离子显著提高传感器的信号强度和灵敏度;最后,离子液体通过塑化提高了介电材料的柔韧性。该透明柔性传感器在皮肤触摸屏和智能窗口上具有潜在的用途,有望应用于人机界面、电子游戏行业以及水下压力传感。

基于以上分析可知,PVDF与1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(离子液体,IL)静电纺丝制备的复合纳米纤维膜在离子传感器领域展现了巨大的潜力。为制备出高灵敏度、高稳定性的离子传感器^[10],仍需对其纳米纤维膜传感层中纺丝液质量分数、PVDF与离子液体量比、纳米纤维膜厚度等进行研究和探索,以求得最佳的复合纳米纤维膜基离子传感器的配方,并对其各项传感响应特性和在人体运动识别上的可行性进行了分析。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

材料:聚偏二氟乙烯(PVDF,粉料)、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(简称离子液体,IL,纯度为97%),阿拉丁生化科技股份有限公司;N-N二甲基酰胺(DMF,分析纯),天津科密欧化学试剂有限公司;铜胶带(厚度为0.06 mm),深圳市标志胶粘剂制品有限公司;聚酰亚胺胶带(PI,厚度为0.07 mm),美国3 M公司;棉布胶带(医药级),青岛海诺生物科技有限公司。

仪器:静电纺丝机,实验室自组装;CP224C型电子天平,美国奥豪斯公司;MS300型恒温磁力搅拌器,上海沪粤明科学仪器有限公司;KQ-500VDE型超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司;Phenom XL型台式扫描电子显微镜,荷兰Phenom-World公司;APOLLO XL型能量色散X射线光谱仪,美国伊达克斯有限公司;Nicolet iS50型傅里叶变换红外光谱仪,赛默飞世尔科技公司;UT89XD型万用表,优利德科技(中国)股份有限公司;柔性传感器性能检测系统,实验室自组装。

1.2 试样制备

1.2.1 PVDF纳米纤维膜的制备

将PVDF粉末溶解于DMF中,配制成质量分数分别为15%、16%、17%、18%、19%和20%的纺丝液进行静电纺丝。纺丝溶液的搅拌温度为50 ℃,搅拌转速为120 r/min,搅拌时间为90 min, 正负电压为12 kV,针头与收集辊之间的距离为15 cm,注射器的推进速度为1 mL/h。

1.2.2 PVDF/IL纳米纤维膜的制备

将质量分数为18%的PVDF粉末溶解于DMF中,并置于50 ℃恒温磁力搅拌器内以120 r/min的转速搅拌90 min,再加入所需的IL,使PVDF与IL的量比分别为4∶1、3∶1、2∶1、1∶1。在正负电压为12 kV、针头与收集辊之间的距离为15 cm、注射器的推进速度为0.5 mL/h的情况下,通过静电纺丝法制备复合纳米纤维膜。

1.2.3 复合纳米纤维膜离子传感器的制备

图1分别示出复合纳米纤维膜离子传感器制备流程图、结构示意图和实物图。可知离子传感器由电极、传感层组成三明治结构,其中通过静电纺丝得到的复合纳米纤维膜作为离子传感器的传感层,铜箔作为电极材料。组装时要注意纳米纤维膜的面积要略大于铜箔的面积,确保上下两层铜箔电极被纳米纤维膜隔开无接触^[11],最后用PI胶带进行封装。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 纳米纤维膜离子传感器

Fig.1 Nanofiber membrane ion sensor. (a) Preparation flowchart; (b) Structural schematic; (c) Physical diagram

1.3 测试与表征

1.3.1 纳米纤维膜表面形貌表征

从试样膜上剪取小块粘贴至样品台,使用扫描电子显微镜获得PVDF、PVDF/IL纳米纤维的微观形貌照片。加速电压为10 kV,放大倍数为4 000~15 000 倍。使用Image J软件对PVDF、PVDF/IL静电纺丝纳米纤维直径分布进行分析。

1.3.2 纳米纤维膜化学结构测试

通过能量色散X射线光谱仪获得PVDF和PVDF/IL纳米纤维膜表面的元素及其分布。通过傅里叶变换红外光谱仪来表征PVDF和PVDF/IL纳米纤维表面的官能团。

1.3.3 纳米纤维膜厚度测试

将游标卡尺垂直放在水平桌面上,将干燥后的纳米纤维膜试样一侧贴近游标卡尺的固定端,移动游标卡尺的外测量爪,使其贴近纳米纤维膜另一侧,读取数值,每组测试5次,取平均值。

1.3.4 离子传感器传感性能测试

首先在传感器测试系统的计算机上定量设置载荷范围(0~100 kPa)、压缩速度(0.1、0.3、0.5、0.8 mm/s)、循环次数(0~5 000次)等参数;然后将传感器固定在拉压实验仪上,或者将传感器贴附在人体皮肤、服装上。传感器两端接通万用表,电容、载荷参数在计算机上实时输出。

将测得的压力-电容数据作图,并分段进行线性拟合分析。灵敏度S定义为

$S = \frac{C - C_{0}}{P}$

式中:S为传感器灵敏度,pF/kPa;C为传感器实时电容值,pF;C₀为初始电容值,pF;P为施加在传感器上的压力,kPa。

传感器灵敏度拟合曲线的灵敏度方程为

$\{\begin{array}{c} y = B_{2} x^{2} + B_{1} x + D \\ y' = 2 B_{2} x + B_{1} \end{array}$

式中:y为电容变化量,pF;x为传感器所受的压力,kPa;y'为传感器的灵敏度,pF/kPa;B₁、B₂、D为常数。电容的变化量与施加外力的比值就是该点的灵敏度数值,即图像中曲线中点的切线斜率^[12]。

迟滞性(γ_H)用加载、卸载过程间最大输出的差值对满量程输出的百分比来表示,即:

$γ_{H} = \frac{M a x | C_{l} (s, t) - C_{u} (s, t) |}{Y_{F S}} \times 100 %$

式中:Y_FS为满量程最大输出值;C_l(s,t)为离子传感器在外力加载时的电容值,F;C_u(s,t)为离子传感器卸载外力时的电容值,F。

1.3.5 应用测试

选择灵敏度较好的离子传感器试样(纺丝液质量分数为18%、PVDF与IL的量比为2∶1)进行人体运动信号的应用测试。通过手指按压或将离子传感器用棉布胶带贴附于人体手指、手腕、手肘、膝盖关节处皮肤表面进行运动,用传感器测试系统记录进行运动时输出的电容信号。通过将离子传感器贴附在人体手腕进行0、50、150、250、350次弯折循环^[13]或者在不同温湿度(15 ℃且58%、-5 ℃且32%、35 ℃ 且70%)条件下进行弯曲运动,同时用传感器测试系统记录输出的电容信号。

2 结果与讨论

2.1 纳米纤维膜的形态特征分析

2.1.1 纺丝液质量分数对纳米纤维膜形貌的影响

图2示出不同纺丝液质量分数制备的纳米纤维膜表面形貌和纤维直径分布图。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 不同质量分数PVDF纳米纤维膜的SEM照片(×8 500)和纤维直径分布图

Fig.2 SEM images (×8 500) and fiber diameter distribution of PVDF nanofiber membrane with different mass fraction

由图2(a)可知,PVDF纺丝液质量分数为15%时,获得的纳米纤维膜含有大量串珠,且纤维直径分布不匀;由图2(a)~(c)可知,随着纺丝液质量分数从15%到17%,纳米纤维膜表面的串珠逐渐减少,串珠的椭圆状逐渐变得不明显,纤维直径逐渐增大且分布逐渐均匀;由图2(d)、(e)可知,当纺丝液质量分数为18%~19%时,纳米纤维膜表面串珠大量减少,纳米纤维膜的纤维直径进一步增大且分布均匀;由图2(f)可知,当纺丝液质量分数达到20%,纤维直径进一步增大且分布不匀。

2.1.2 IL含量对复合纳米纤维膜形貌的影响

图3示出不同IL含量的纳米纤维膜的表面形貌和纤维直径分布。可知:在相同静电纺丝条件下,当PVDF与IL量比为4∶1时,纳米纤维膜中纤维取向分散,直径分布不匀;当PVDF与IL量比为3∶1时,纳米纤维膜中纤维之间开始黏结,纤维取向开始变得整齐,纤维直径增加且分布比较均匀;当PVDF与IL量比为2∶1时,纳米纤维膜中纤维取向更整齐,纤维黏结进一步增强,纤维直径增加;当PVDF与IL量比为1∶1时,挤出的纺丝液会迅速在针头发生黏结导致针头堵塞,无法正常纺丝。在PVDF与IL的量比低于1∶1的情况下,随着IL含量的增加,纤维的取向越来越整齐,并且纤维之间会相互黏结,纳米纤维直径逐渐增大。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 PVDF与IL量比不同时复合纳米纤维膜的SEM照片(×8 500)和纤维直径分布图

Fig.3 SEM images (×8 500) and fiber diameter distribution of composite nanofiber membrane with different PVDF and IL dosage ratio

2.2 纳米纤维膜的化学结构分析

图4示出PVDF、PVDF/IL纳米纤维膜的元素分布。IL的引入会使得复合纳米纤维膜含有S、N元素且O元素增加^[14]。图4(a)中PVDF纳米纤维膜没有S、N元素且O元素分布较少;图4(b)中PVDF/IL复合纳米纤维膜有S、N元素且分布均匀,同时O元素含量增大,说明IL已均匀分布在PVDF/IL复合纳米纤维膜中。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4 纳米纤维膜的元素分布

Fig.4 Element distribution map of nanofiber membranes.(a)PVDF nanofiber membrane;(b)PVDF/IL nanofiber membrane

图5示出PVDF、PVDF/IL纳米纤维膜的傅里叶红外光谱图。可知:PVDF/IL复合纳米纤维膜相比于纯PVDF纳米纤维膜,产生了一些特征峰;随着IL的加入,可观察到IL中三氟甲磺酰亚胺基团的特征峰:1 352、1 332、1 134(O=S=O)、1 054(S—N—S)、739、615 cm^-1(—CF₃),且1 276 cm^-1处为1-乙基-3-甲基咪唑基团中(C—N)的伸缩振动峰,可知1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐已融入到静电纺丝膜中;841和511 cm^-1 处为PVDF的β结晶相特征峰,489 cm^-1处为PVDF的α结晶相特征峰,IL的加入使得PVDF的β结晶相特征峰强度增强,α结晶相特征峰强度减弱,说明IL的加入促进了β相的形成,进一步说明IL与PVDF相互结合。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5 PVDF与IL量比不同时复合纳米纤维膜的红外光谱图

Fig.5 Fourier infrared spectra of nanofibre membranes with different PVDF and IL dosage ratios

2.3 复合纳米纤维膜离子传感器性能分析

2.3.1 复合纳米纤维膜离子传感器传感原理

图6示出复合纳米纤维膜离子传感器的等效电路图和传感原理图。离子液体具有高沸点、非挥发性等特点,IL的加入使得阴阳离子分散在复合纳米纤维膜内部,铜箔电极与纤维膜界面处形成双电层(EDL)的超电容离子传感器^[15]。可将离子传感器等效成2个电容器(C₁、C₂)和1个电阻(R)的串联。图6(b)示出离子传感器在无压力和有压力作用下的传感原理图。当传感器无压力作用时,纤维膜没有被压缩且与铜箔电极的接触面积很小,内部的阴阳离子分布均匀且与铜箔电极部分形成双电层电容器;当传感器被施加压力时,纤维膜被压缩,孔隙减小,纤维膜中的阴阳离子分别向正负电极迁移,纤维膜与铜箔电极接触面积增大,上下铜箔电极之间的距离减小,传感器的电容增大;当传感器被进一步压缩,纤维膜孔隙进一步减小,相比于开始施加外力时,同等压力下压缩量变少,传感器灵敏度减小。

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6 复合纳米纤维膜离子传感器等效电距及传感原理图

Fig.6 Equivalent circuit diagram (a) and sensing schematic (b)of composite nanofibre membrane ion sensor

2.3.2 不同IL含量对离子传感器性能的影响

图7示出不同IL含量下离子传感器的压力-电容变化曲线。可知随着复合纳米纤维膜中IL含量的增加离子传感器的灵敏度逐渐增大,传感范围逐渐减小。IL含量的增加,使得复合纳米纤维膜中可迁到电极表面的带电离子含量增多,传感器灵敏度增大;使得复合纳米纤维膜中的纤维直径增加,纤维之间的空隙减小,传感器传感范围减小。

图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7 PVDF与IL量比不同时离子传感器的压力-电容变化图

Fig.7 Pressure-capacitance variation of ion sensors with different PVDF and IL dosage ratios

表1示出PVDF与IL量比不同时离子传感器在不同压力下的灵敏度。可知:PVDF与IL量比为2∶1的离子传感器在0~5 kPa范围内的灵敏度为32.471 pF/kPa,在5~25 kPa范围内的灵敏度为26.655 pF/kPa;在0~25 kPa范围内,离子传感器的电容值随压力增加而增大,变化规律服从线性响应;在25~40 kPa范围内灵敏度降为1.397 pF/kPa,并且随着压力继续增大,电容值不会增大,传感器的电容值与外力呈非线性响应。IL含量如果过大,复合纳米纤维膜的直径较粗且易相互黏结,导致传感器的传感范围减小。同时可知,PVDF与IL量比为1∶0的离子传感器在0~5 kPa范围内的灵敏度为0.356 pF/kPa, PVDF与IL量比为2∶1的离子传感器的最大灵敏度约为PVDF与IL量比为1∶0的离子传感器的91.2倍,说明IL含量的增加使得传感器的传感性能显著增加。

表1 不同压力下不同IL含量的离子传感器的灵敏度

Tab.1 Sensitivity of ion sensors with different IL contents at different pressures

PVDF与IL量比	不同压力下的灵敏度/(pF·kPa^-1)
PVDF与IL量比	0~5 kPa	5~25 kPa	25~40 kPa
2∶1	32.471	26.655	1.397
3∶1	21.499	11.085	2.667
4∶1	6.211	1.649	0.544
1∶0	0.356	0.176	0.016

新窗口打开| 下载CSV

2.3.3 不同厚度对离子传感器性能的影响

图8示出不同厚度(0.05、0.10、0.20 mm)的PVDF与IL量比为3∶1复合纳米纤维膜离子传感器的压力-电容变化曲线图。可知随着纳米纤维膜的厚度增加,传感器的传感范围逐渐增大,灵敏度逐渐降低。

图8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8 不同厚度复合纳米纤维膜离子传感器的压力-电容变化图

Fig.8 Pressure-capacitance variation of composite nanofiber membrane ion sensors with different thickness

2.3.4 离子传感器的稳定性

图9示出PVDF/IL离子传感器在加载-卸载外力时的迟滞性曲线。该离子传感器在16.5 kPa压力附近的迟滞性最大,计算得到迟滞率为6.64%。

图9

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图9 复合纳米纤维膜离子传感器的迟滞曲线

Fig.9 Hysteresis curves of composite nanofiber membrane ion sensors

图10示出PVDF与IL量比为3∶1复合纳米纤维膜离子传感器在不同压力和不同压缩速率下的电容变化图。可知:离子传感器在压缩范围内,不同的压力可输出的电容变化幅度不同;离子传感器在不同的压力加载速率下,输出的电容信号没有明显的延迟和依赖性。图11示出复合纳米纤维膜离子传感器施加15 kPa压力后进行5 000次加载-卸载循环中实时记录的电容变化图。可知:传感器在进行5 000次反复加载-卸载循环后无明显的电容值偏移现象;传感器单次的循环可能会有细微的偏移,但是多次循环后输出的电容信号没有出现大幅度的偏移,基本上保持稳定相同的变化波形,说明该离子传感器具有稳定的压缩可循环性。

图10

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图10 复合纳米纤维膜离子传感器的电容变化图

Fig.10 Capacitance variation of composite nanofiber membrane ion sensor at different pressure(a) and compression rate (b)

图11

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图11 复合纳米纤维膜离子传感器加载-卸载循环的电容变化图

Fig.11 Capacitance variation of composite nanofiber membrane ion sensor

2.4 复合纳米纤维膜离子传感器应用分析

图12示出复合纳米纤维膜离子传感器经手指按压和手指、手腕、手肘、膝盖弯曲的电容变化曲线。

图12

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图12 复合纳米纤维膜离子传感器在不同应用测试下的电容变化

Fig.12 Capacitance variation of composite nanofibre membrane ion sensors tested for different applications.

(a)Finger press;(b)Finger flexion;(c)Wrist flexion;(d)Elbow flexion;(e)Knee flexion

由图12(a)可知:随着手指的按压,传感器的电容迅速增大,电容变化量约为200 pF;当手指抬起,传感器的电容迅速恢复,实现了对手指按压的实时信号监测。图12(b)、(c)分别为手指弯曲和手腕弯曲的实时测试示意图。由图可知相比于手指按压的电容值,手指弯曲和手腕弯曲引起的传感器电容值更大,其电容变化量分别约为350 pF和400 pF。由图12(d) 和12(e)可知手肘弯曲和膝盖弯曲的电容变化曲线幅度和形状不同,该传感器可以分辨手肘弯曲和膝盖弯曲的运动情况。此外,与手部运动变化检测一样,对于手肘弯曲和膝盖弯曲,该离子传感器会根据弯曲的程度产生不同的电容,弯曲程度越大,产生的电容变化越大。可以得出,该离子传感器不仅可检测小幅度的人体运动,对于手肘弯曲、膝盖弯曲等这类大幅度的关节运动也可根据电容的变化量和电容变化曲线形状很好地分辨出来。

图13示出复合纳米纤维膜离子传感器在实验室自然条件下储存1年后,进行0、50、150、250、350次手腕弯曲循环测试的电容变化曲线。由图可知,在长期放置之后的多次弯折循环下,离子传感器仍能保持对手腕信号的实时监测,因此证明该离子传感器有良好的长期稳定性和耐弯折性。

图13

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图13 多次弯曲循环下复合纳米纤维膜离子传感器的电容变化

Fig.13 Capacitance variation of composite nanofiber membrane ion sensor under multiple bending cycles

图14示出将复合纳米纤维膜离子传感器贴合在人体手腕上并处于不同温湿度自然环境下进行手腕弯曲测试的电容变化曲线。由图14可知,不同温湿度环境会导致电容变化量出现轻微差异,但电容变化曲线的整体形状差异不大,不影响人体关节运动的分辨。PI胶带因无毒且具有优异的耐湿热性、耐腐蚀性和生物相容性、服贴性等特性^[16],作为离子传感器的封装材料,为其应用在人体关节运动的监测提供了保障。将复合纳米纤维膜离子传感器贴合在人体手腕上24 h后观察人体皮肤表面形态可知,皮肤在长时间接触后并未出现红肿过敏等不适现象。

图14

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图14 不同温湿度下复合纳米纤维膜离子传感器的电容变化

Fig.14 Capacitance variation of composite nanofiber membrane ion sensor at different temperatures and humidity

3 结论

1)在聚偏二氟乙烯(PVDF)质量分数为18%,且与离子液体(IL)的量比为2∶1或3∶1时,聚偏二氟乙烯/离子液体复合纳米纤维膜表面规整、串珠少,且纤维直径分布均匀,带电离子数量增多且分布均匀,为制备离子传感器提供了前期的研究基础。

2)基于PVDF/IL复合纳米纤维膜的三明治结构离子传感器,在0~40 kPa的传感范围内,压力检测灵敏度为32.471 pF/kPa,即使进行5 000次的加载-卸载循环,传感器的传感性能和力学稳定性也几乎不受影响。

3)PVDF/IL离子传感器可通过电容变化量和电容变化曲线分辨小幅度的人体运动以及手肘弯曲、膝盖弯曲等大幅度的关节运动,对于未来应用于与聋哑人的交流、人机交互、智能控制等领域有很好的前途。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

Yin

, WU

Junxian

, LIN

Meixia

, et al.

Ionic flexible force sensors and their potential applications

[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2021, 9(46): 16378-16390.