近日，東華大學朱美芳院士、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(科學中國-材料)》上。東華大學材料科學與工程學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基金、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金等的支持。
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)定的化學性質(zhì)和高電導性，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度。PSS疏水端的長烷烴鏈和苯環(huán)，與石墨烯形成強非共價相互作用，其親水端的磺酸基團可以與水形成氫鍵。此外，PSS能夠增強石墨烯間的靜電斥力，促進石墨烯的分散。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)基底的粘附力達到0.72 N/mm2。
將GNS/PSS分散液負載于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，促進導電材料的牢固嵌合，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。這將進一步拓展其在人體健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。
