西南大学《JMCC》：受蜘蛛网启发！碳纳米管/CuS涂层柔性压力传感器，用于冬季运动安全防护

材料分析与应用 · 公众号 · · 2024-10-18 16:40

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1 成果简介

近年来，冬季运动逐渐普及，但在严酷和极寒环境中也引发了健康方面的担忧。因此，能够在极端条件下监测身体健康的自发热、智能柔性材料变得尤为重要。 本文，西南大学《Journal of Materials Chemistry C》期刊 发表名为“Spider web structured CNTs/CuS coating-based flexible pressure sensor with extreme self-heating and anti-freezing ability for winter sports safeguard”的论文（陈磊副教授和李庆教授为通讯作者）。受蜘蛛网结构启发，通过在蚕丝织物（SF）表面沉积碳纳米管/硫化铜（CNTs/CuS）复合涂层，结合由羟丙基甲基纤维素（HPMC）构建的纤维素缠结结构， 开发出一种柔性压力传感器。 得益于HPMC的保水能力，该传感器在光热加热过程中具备稳定的生理信号检测能力和温度不敏感性。此外，传感器表现出卓越的电导率（230.68 S/m）、除冰性能（181 s）、杀菌性能（约99.99%）、抗紫外性能（UPF约13926）、环境适应性（-78°C至50°C）及高灵敏度（13.25 ± 0.123 kPa-1）。该涂层工艺适用于多种面料，为多功能传感器的设计和制备提供了新的可能性。

2 图文导读

图1. SF/CNTs/CuS压力传感器的（a）制备流程示意图和（b）数码照片；（c）不同织物负载CNTs/CuS涂层的表面形貌：（c1）棉织物，（c2）麻织物，（c3）涤纶织物，（c4）锦纶织物；（d）CuS的XRD图谱；（e）SF、SF/CNTs和SF/CNTs/CuS的XRD谱图和（f）XPS谱图。

图2.（a）SF/CNTs/CuS的表面形貌及其元素扫描分析；（b）SF/CuS、（b）SF/CNTs以及（c）SF/CNTs/CuS与HPMC结合的表面形貌。

图4. SF/CNTs/CuS的光热抗菌与抗紫外性能

图5. SF/CNTs/CuS在室温下的压力传感性能

图6. SF/CNTs/CuS在-78°C冷冻后的传感性能及其在光热升温过程中的传感稳定性

3 小结

综上所述，我们开发了一种高灵敏度且环境适应性强的SF/CNTs/CuS柔性压力传感器。该传感器采用HPMC作为粘合剂，通过将CNTs/CuS涂层与SF基底牢固结合制成，表现出优异的导电性、自加热特性和光热稳定性。HPMC的引入不仅有助于形成稳定的导电网络、提升涂层与基底之间的结合强度，还可为传感器提供了保水性能，从而在极端环境中展现出色的抗冻性。此外，传感器具有卓越的除冰、杀菌和抗紫外性能，具备高灵敏度以及快速响应和恢复时间。在光热升温过程中能够保持良好的电化学稳定性，并且经-78 °C冻结后仍可正常工作。该项技术可以解决极端环境中检测生理信号和为人体提供温暖的问题，为个性化健康护理提供便捷的手段。

文献：

https://doi.org/10.1039/d4tc02354d

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