隨著個(gè)性化醫(yī)療保健的日益普及，具有連續(xù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力的纖維型可穿戴溫度傳感器在柔性可穿戴電子領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。盡管纖維型可穿戴溫度傳感器的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但以往制造方法存在生產(chǎn)效率低、缺乏物理耐久性和纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等不足，大大降低了纖維型溫度傳感器長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)的適用性。
近期，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院Seongjun Park教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于聚合物納米復(fù)合材料的柔性纖維溫度傳感器，能夠在體溫變化范圍內(nèi)表現(xiàn)出敏感且一致的溫度響應(yīng)，具有較快的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。
該傳感器由預(yù)制件經(jīng)過(guò)熱拉伸工藝（TDP）制造而成，且橫截面尺寸可控。預(yù)制件由三層不同的材料組成，最里面由具有電阻溫度依賴的還原氧化石墨烯（rGO）和聚乳酸（PLA）組成；中間層由線性低密度聚乙烯（LLDPE）組成，這為纖維溫度傳感器的機(jī)械和化學(xué)耐久性提供了柔性鈍化；最外面的聚苯乙烯（PS）犧牲層使預(yù)制件能夠穩(wěn)定連續(xù)地?zé)崂臁?/span> 
由于在拉伸前，預(yù)制件被加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)以上，因此，導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的流變行為會(huì)影響拉伸過(guò)程的穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的熱拉伸并保持原始的橫截面幾何形狀，研究人員對(duì)rGO/PLA進(jìn)行了流變學(xué)研究，以確定用于成型的rGO最佳濃度范圍，隨著rGO濃度的增加，導(dǎo)電性明顯提升。由于LLDPE和rGO/PLA在拉伸溫度下的流體行為差異可能導(dǎo)致截面形狀無(wú)法保持，所以在此基礎(chǔ)上又引入PS層。
在傳感性能上，纖維溫度傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間快(分別為11.6 s和14.8 s)，并且電阻能夠完全恢復(fù)，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)的溫度響應(yīng)。體現(xiàn)了纖維溫度傳感器在使用過(guò)程中的可靠性和一致性，可用于監(jiān)測(cè)連續(xù)和重復(fù)的實(shí)時(shí)溫度傳感。
可穿戴紡織品傳感器經(jīng)常會(huì)面臨彎曲、污染和洗滌的問(wèn)題，這可能會(huì)損害傳感器的功能。因此，傳感器必須具有優(yōu)異的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)日常應(yīng)用所需的表面絕緣性、柔韌性和耐久性。經(jīng)過(guò)1000次循環(huán)加熱、在曲率半徑為1.5 cm、90°循環(huán)彎折1000次以及暴露在不同的溶劑下，該纖維仍能可靠地響應(yīng)外部溫度的變化，表明其具一定的長(zhǎng)期適用性。
在實(shí)際應(yīng)用情況下，纖維的柔韌性和可調(diào)節(jié)的直徑使其能夠編織或縫制到織物上，在實(shí)際應(yīng)用中，將纖維縫制或編織在織物上，可實(shí)現(xiàn)人體日?；顒?dòng)如呼吸、說(shuō)話、運(yùn)動(dòng)等過(guò)程中體溫變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，將其縫合到手套上后，對(duì)熱物體或冷物體都能表現(xiàn)出色的溫度響應(yīng)，從而揭示出該纖維溫度傳感器在可穿戴器件實(shí)際應(yīng)用中的潛力。
此外，研究人員將器件編織在襯衫和手套上，在響應(yīng)體溫變化和觸摸溫度檢測(cè)方面表現(xiàn)出良好的性能。這也顯示出該傳感器在可穿戴、電子皮膚和其他生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中的巨大應(yīng)用潛力。
據(jù)悉，該項(xiàng)成果以“Thermally Drawn Multi?material Fibers based on Polymer Nanocomposite for Continuous Temperature Sensing”為題發(fā)表在Advanced Fiber Materials上。
該傳感器由預(yù)制件經(jīng)過(guò)熱拉伸工藝（TDP）制造而成，且橫截面尺寸可控。預(yù)制件由三層不同的材料組成，最里面由具有電阻溫度依賴的還原氧化石墨烯（rGO）和聚乳酸（PLA）組成；中間層由線性低密度聚乙烯（LLDPE）組成，這為纖維溫度傳感器的機(jī)械和化學(xué)耐久性提供了柔性鈍化；最外面的聚苯乙烯（PS）犧牲層使預(yù)制件能夠穩(wěn)定連續(xù)地?zé)崂臁?/span>
由于在拉伸前，預(yù)制件被加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)以上，因此，導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的流變行為會(huì)影響拉伸過(guò)程的穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的熱拉伸并保持原始的橫截面幾何形狀，研究人員對(duì)rGO/PLA進(jìn)行了流變學(xué)研究，以確定用于成型的rGO最佳濃度范圍，隨著rGO濃度的增加，導(dǎo)電性明顯提升。由于LLDPE和rGO/PLA在拉伸溫度下的流體行為差異可能導(dǎo)致截面形狀無(wú)法保持，所以在此基礎(chǔ)上又引入PS層。
在傳感性能上，纖維溫度傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間快(分別為11.6 s和14.8 s)，并且電阻能夠完全恢復(fù)，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)的溫度響應(yīng)。體現(xiàn)了纖維溫度傳感器在使用過(guò)程中的可靠性和一致性，可用于監(jiān)測(cè)連續(xù)和重復(fù)的實(shí)時(shí)溫度傳感。
可穿戴紡織品傳感器經(jīng)常會(huì)面臨彎曲、污染和洗滌的問(wèn)題，這可能會(huì)損害傳感器的功能。因此，傳感器必須具有優(yōu)異的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)日常應(yīng)用所需的表面絕緣性、柔韌性和耐久性。經(jīng)過(guò)1000次循環(huán)加熱、在曲率半徑為1.5 cm、90°循環(huán)彎折1000次以及暴露在不同的溶劑下，該纖維仍能可靠地響應(yīng)外部溫度的變化，表明其具一定的長(zhǎng)期適用性。
在實(shí)際應(yīng)用情況下，纖維的柔韌性和可調(diào)節(jié)的直徑使其能夠編織或縫制到織物上，在實(shí)際應(yīng)用中，將纖維縫制或編織在織物上，可實(shí)現(xiàn)人體日?；顒?dòng)如呼吸、說(shuō)話、運(yùn)動(dòng)等過(guò)程中體溫變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，將其縫合到手套上后，對(duì)熱物體或冷物體都能表現(xiàn)出色的溫度響應(yīng)，從而揭示出該纖維溫度傳感器在可穿戴器件實(shí)際應(yīng)用中的潛力。
據(jù)悉，該項(xiàng)成果以“Thermally Drawn Multi?material Fibers based on Polymer Nanocomposite for Continuous Temperature Sensing”為題發(fā)表在Advanced Fiber Materials上。
