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    西安工程大學在智能可穿戴研究領域取得新突破

    使智能可穿戴產品被人體長期穿著成為可能

    發布時間:2024-04-30 作者:陜軒 來源:中國教育新聞網

    近日,國際權威期刊《自然-通訊》(《Nature Communications》)在線發表西安工程大學紡織科學與工程學院樊威教授團隊的研究論文“Sweat permeable and ultrahigh strength 3D PVDF piezoelectric nanoyarn fabric strain sensor”。據了解,該校為第一署名單位,教授樊威為論文的第一以及通訊作者,碩士研究生雷睿心為第二作者,沙赫魯德理工大學教授Mashallah Rezakazemi和南京林業大學副教授葛省波為共同通訊作者。

    該校研究團隊發現,商用可穿戴傳感器通常需要經過電子封裝,具有良好的抗干擾穩定性。然而,封裝使其不透氣,作為人體傳感器使用時,會影響人體和外界的氣體交換,損害了人體穿戴的舒適性。此外,人體出汗后無法排出,會引起皮膚炎癥和其他皮膚疾病。上述弊端,導致現有商用傳感器無法長期接觸人體佩戴。

    針對以上問題,西安工程大學樊威教授團隊及其合作者采用航天飛行器高性能纖維結構件中常用的三向正交織物所用的3D織造方式,將具有不同吸濕性能的絕緣紗線對PVDF壓電紗線和導電紗線進行封裝,開發了一種免電子封裝且具有反重力單向液體輸送功能的3D結構全纖維自供電應變傳感器。

    該工作首先通過共軛靜電紡絲和熱牽伸工藝,制備出強度高達313.3 MPa的PVDF壓電納米纖維紗線(滿足3D織造的要求),隨后采用3D紡織技術,將PVDF壓電紗線、導電紗線和不同吸濕性能的絕緣紗線按照下圖所示的結構進行分布,織造3D壓電織物3DPF傳感器。在已報道的柔性壓電傳感器中,3DPF的抗拉強度最高,達到46.0 MPa。

    此外,構建的3D織物從底層到表層的紗線具有梯度吸濕效應,Z向紗線具有超強的芯吸效應,使得3DPF具有反重力單向液體輸送的功能。人體運動出汗后,汗液可以在4秒內從靠近皮膚側的內層反重力運輸到外層,為用戶提供了舒適干燥的佩戴環境。更重要的是,人體正常出汗后,不但不會降低3DPF的壓電輸出性能,反而會增強其壓電性能。

    3DPF的耐用性和舒適性與商用T恤有著相似的級別,可滿足人體日常穿著的要求。此項工作采用常規不導電商用紗線對導電和壓電紗線進行封裝的策略,為開發其他類型的可呼吸的柔性可穿戴電子設備提供了一種新的設計思路,其所提出的智能可穿戴織物在舒適性和傳感性能之間取得了平衡,使智能可穿戴產品被人體長期穿著成為可能。

    3DPF的制備與結構示意圖

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