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新成果:静电纺丝技术制备压力传感器
2019/11/28 22:19:22 admin

  压电聚合物通过电纺形成纳米纤维膜已经较普遍,由于对机械刺激具有显著的电反应,电纺压电聚合物可用于高灵敏度压力传感器。Chang(2009)的一项研究发现,单一聚偏二氟乙烯(PVDF)纳米纤维的平均能量转换效率为12.5%,远高于PVDF薄膜的平均能量转换效率(1.3%),这可能是由于电纺PVDF纤维存在β-相[Costa et al 2010],而正常PVDF存在α相。

  电容式压力传感器是以电纺膜为介电层构造的,传感器通过测量两个电极之间的电容值的变化来工作,电极受它们之间的间隙、介电层的重叠表面积和电性质的影响。 Kim等(2017)用电纺聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)(P(VDF-TrFE))作为介质层,用以提高压力传感器的灵敏度。与旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)不同,静电纺丝P(VDF-TrFE)具有较低的硬度(低6倍),这使其成为可穿戴技术的更好选择。在它们的装置中,电纺丝介电层夹在两个铝片(电极)之间,其中,电纺膜的厚度对高压或低压的敏感性具有显著影响。对于较厚的膜,压力传感器对低压(小于或等于0.12kPa)应用非常敏感,初始灵敏度为2.81kPa-1。但是,在较高的压力下灵敏度显著降低,这归因于厚膜具有较低的膜刚度,此时,传感器的响应时间低于42ms,迟滞较低。

  在静电纺丝过程中,电场有利于在电场方向上的偶极排列。这种排列可以通过拉伸纳米纤维和物理对齐纤维的旋转收集器进一步增强。 Persano等人(2013)展示了使用旋转收集器来增强压力传感器性能的电纺P(VDF-TrFE)纤维排列的优点,取向的电纺丝纤维显示更大比例的极性β相,总体结晶度为48%,而无序毡具有40%的结晶度。在0.4至2kPa的低压范围内,装置的灵敏度为1.1VkPa-1,还发现光纤阵列长度为2cm至8cm范围内时,电压输出不受影响。为了进一步证明高度对齐的P(VDF-TrFE)纤维束对应变的敏感性,Hsu等(2017)将其垂直地连接到前臂肱二头肌和上臂二头肌,通过显示正电压或负电压输出,压电束能够检测前臂旋转的方向。对于连接到二头肌的压电束,通过增加或减少电压输出来检测等长收缩的水平,这项研究展示了在可穿戴纺织传感器中使用电纺丝束的可行性。

图片1.jpg

  (a) Photograph of a simple, P(VDF-TrFe) nanofiber-based accelerometer. Scale bar, 1cm. (b) Output voltage collected from this device exposed to 70 dB sound intensity. (c,d) Photographs of a flexible device mounted on the skin of the arm and wrapped around a finger. Scale bar, 2 cm. (e) Characterization of an orientation sensor, based on a pressure sensor with an attached test mass. The output voltage changes with orientation angle, 罐, in an expected manner. The inset provides a sketch of the device (yellow: PI; grey: fibres; blue: test mass) and the measurement geometry [Persano et al 2013].

  虽然P(VDF-TrFE)具有良好的介电性能,但与聚偏二氟乙烯(PVDF)相比,该共聚物具有更高的成本。为了改善PVDF的介电性能,Li等(2014)通过在PVDF溶液中掺入银纳米线(AgNW)进行静电纺丝。聚合物与AgNW之间的相互作用显著增加了PVDF中的结晶极性β相并且也增加了其介电性质。 通过将膜夹在两个铝片之间而组装成压力传感器,含有1.5wt%AgNW的纳米纤维膜的灵敏度可达到30pC/N。

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