纳微快报
江南大学黄云鹏等:用于抗干扰生理电监测的高导热、紫外-电磁双重屏蔽电子织物 精选
2024-6-16 11:00
阅读:3583

研究背景

皮肤电子器件近年来在医疗诊断、软机器人和人机接口等领域取得了巨大进展,其中,电子织物(e-textiles)因同时具备透气透湿性、皮肤友好性和感知、响应性能,在舒适穿戴健康监测器件方面显示出极大的潜力。然而,电子织物在实际使用中(如强电磁环境、高温户外等)易受到电磁干扰(EMI)引起的灵敏度衰减问题,以及热聚集和紫外辐射(UV)引起的器件老化和皮肤健康问题。因此,开发同时具备高导热性能和紫外、电磁屏蔽功能的健康监测电子织物,对于改善其穿戴舒适性、性能稳定性和环境适应性具有重要的现实意义。

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Thermally Conductive and UV-EMI Shielding Electronic Textiles for Unrestricted and Multifaceted Health Monitoring

Yidong Peng, Jiancheng Dong, Jiayan Long, Yuxi Zhang, Xinwei Tang, Xi Lin, Haoran Liu, Tuoqi Liu, Wei Fan, Tianxi Liu*, Yunpeng Huang*

Nano-Micro Letters (2024)16: 199

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01429-x

本文亮点

1. 通过对BN NPs进行含氟表面活性剂修饰,实现了高导热纳米颗粒在弹性体纤维内部的均匀分散包埋,制备了高拉伸导热纤维

2. 通过在上述包埋有BN NPs的弹性体纤维表面负载致密的Ag NPs功能层,大幅改善了聚合物纤维之间的界面导热性能,构筑了三维交织的导热网络。

3. 通过印刷液态金属制备的电子织物具备优异的抗干扰生理电监测性能,用作表皮生物电极时可在强电磁干扰下实现多种生理电信号的高保真监测。

内容简介

江南大学黄云鹏等开发出一种高导热、紫外-电磁双重屏蔽电子织物,用于肤表高效散热、紫外防护及抗干扰生理电监测。首先,我们在高拉伸弹性体纤维中均匀填充BN NPs来构建导热通路,接着在纤维表面原位生长Ag NPs来改善纤维界面导热性能,从而将弹性体无纺织物的热导率提高至 0.72 W m⁻1 K⁻1。得益于Ag NPs功能层的高导电性和表面等离子体共振效应,无纺织物同时实现了优异的电磁屏蔽(SET > 65 dB)和紫外防护(UPF = 143.1)性能。最后,我们通过液态金属印刷制备了高拉伸生理电监测电子织物,其能在强烈的电磁干扰下对ECG、EEG和sEMG进行实时、高精度监测。这项工作为开发具有热舒适性、防护性和环境适应性的下一代表皮电子器件提供了新方法。

图文导读

I 高导热、紫外-电磁双重屏蔽电子织物的设计及其微观结构

为了改善高导热BN NPs在聚合物溶液中的高浓度分散,本工作首先利用含氟表面活性剂对其进行表面接枝,经过静电纺丝成功地制备出高填充量的BN NPs复合弹性体纤维织物。接着,通过在纤维表面原位生长Ag NPs功能层构建高导热纤维界面,从而通过三维交织的导热纤维网络实现织物内部的无障碍热传输。

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图1. (a)高导热、紫外-电磁双重屏蔽电子织物的设计及制备示意图;(b, c)包埋BN NPs的FCBN/SEBS微纤维的SEM图像;(d)FCBN/SEBS和AFBS纤维的导热机理示意图;(e, f)表面负载Ag NPs的FCBN/SEBS微纤维(简称AFBS)的SEM图像。

II 电子织物的紫外防护性能和电磁屏蔽性能

由于高导电Ag NPs功能层对电磁波的多重反射特性,所制备的无纺织物基底显示出优异的电磁屏蔽性能(SET > 65 dB,X-bond)。另外,得益于UV辐照下Ag NPs的表面等离子体共振以及纤维内部BN NPs对紫外线的反射,弹性织物同时展现出出色的紫外防护性能(UPF = 143.1)。

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图2. 不同织物的(a)UVA和(b)UVB透射率;(c)AFBS无纺织物的紫外屏蔽机理;(d)不同样品的UVA和UVB平均透射率,以及(e)UPF 值;(f)AFBS 织物的电磁屏蔽机理;(g)AFBS织物在镀银30 min后的电磁屏蔽性能;(h)不同镀银时间的AFBS织物的SET、SEA和SER值,以及(i)功率系数。

III 电子织物的导热性能

通过在弹性微纤维内部均匀填充高导热BN NPs,并通过纤维表面致密的Ag NPs来连通纤维界面,本工作构建了三维交织的导热纤维网络,从而将弹性无纺织物的热导率提高到0.72 W m⁻1 K⁻1。详细的研究结果表明,弹性织物在沿表面和截面方向都具备优异的导热性能。

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图3. (a)SEBS、不同BN NPs负载量FCBN/SEBS和AFBS(60 wt.% BN NPs)织物的比热容;(b)不同样品的面内热扩散系数和(c)热导率;(d)水蒸发速度测试的装置图,以及(e)不同样品在55°C热台上进行水蒸发测试时的红外热图像;(f)自制的导热测试装置,(g)AFBS织物的面内和截面导热示意图,以及(h)测试期间不同样品的面内和截面温度变化曲线。

IV 高导热、紫外-电磁双重屏蔽电子织物的生理电监测性能

得益于电子织物优异的电磁屏蔽性能,其被用作表皮生物电极时可在强电磁环境下实现多种生理电信号(ECG、sEMG、EEG)的高保真监测,性能远优于商用凝胶电极,显示出其在高稳定、抗干扰皮肤电子器件中的应用潜力。

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图4. (a)生理电监测的电极位置示意图;(b, c)商业电极片和AFBS 皮肤电极在强电磁干扰下(粉色高亮区域)记录的抓握动作EMG信号;(d, e)商用电极和AFBS皮肤电极采集的ECG信号,以及(f, g)在强电磁干扰下的ECG信号;正常条件和强电磁干扰下,商用电极和AFBS电极采集的(h, i)平静状态和(j, k)思考状态下的的EEG信号。

V 总结

本研究通过在均匀包埋BN NPs的弹性体纤维表面负载致密的Ag NPs功能层,构建了高拉伸、三维交织的导热纤维网络,经过液态金属印刷制备了一种兼具热舒适和紫外-电磁防护性能的新型健康监测电子织物,可在长时间户外贴肤穿戴时保障皮肤与器件健康,同时提供强电磁干扰下的生理电精确监测功能。 

作者简介

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黄云鹏

本文通讯作者

江南大学 副教授

主要研究领域

聚合物纤维及其复合材料、柔性传感与智能织物。

个人简介

迄今已发表SCI学术论文90余篇,其中以第一作者或通讯作者身份在Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Nano Lett.、Small等高水平期刊发表SCI论文40余篇,其中3篇入选ESI高被引论文,总引用次数6800余次,H指数为50。担任《EcoMat》、《材料导报》青年编委和《Molecules》期刊客座编辑。先后承担国家自然科学基金(青年/面上)、江苏省自然科学基金(青年/面上)、中国博士后科学基金等科研项目共10项。

Email:hypjnu@jiangnan.edu.cn

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2022JCR影响因子为 26.6,学科排名Q1区前5%,期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624


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