DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47810-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38664454
تاريخ النشر: 2024-04-25
المؤلف: Wei Fan وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد الاستشعار المتقدمة وجمع الطاقة
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا لتطوير مستشعرات بيزو كهربائية قابلة للارتداء تعالج مشكلات الراحة وقابلية التنفس المرتبطة بالمستشعرات التجارية التقليدية. من خلال استخدام خيوط نانوية من بولي (فلوريد الفينيليدين) (PVDF) بقوة شد مثيرة للإعجاب تبلغ 313.3 ميغاباسكال، أنشأ المؤلفون مستشعر قماش بيزو كهربائي ثلاثي الأبعاد (3DPF) من خلال تقنية النسيج ثلاثي الأبعاد المتقدمة. يتمتع 3DPF بقوة شد تبلغ 46.0 ميغاباسكال، وهي الأعلى المبلغ عنها للمستشعرات البيزو كهربائية المرنة، ويتميز بآلية نقل سائلة أحادية الاتجاه مبتكرة مضادة للجاذبية تنقل العرق بعيدًا عن الجلد بكفاءة، مما يحافظ على بيئة مريحة وجافة للمستخدم.
من المهم أن وجود العرق لا يقلل من الخصائص البيزو كهربائية لـ 3DPF؛ بل يعززها. إن متانة وراحة 3DPF قابلة للمقارنة مع تلك الخاصة بقمصان القطن التجارية، مما يجعله مرشحًا واعدًا للأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء المرنة. تتمتع هذه المستشعرات بإمكانات تطبيقات كبيرة في مراقبة الإشارات الفسيولوجية ووضع الجسم، وتحويل الإشارات الميكانيكية إلى إشارات كهربائية لنقل المعلومات بشكل فعال. تسلط الدراسة الضوء على قيود المستشعرات البيزو كهربائية المرنة غير القابلة للاختراق الموجودة، والتي تعيق تبادل الرطوبة ويمكن أن تؤدي إلى عدم الراحة ومشكلات جلدية، مما يبرز مزايا تصميم 3DPF المقترح.
الطرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة لإعداد وتوصيف خيوط PVDF النانوية و3DPF. تم خلط مسحوق PVDF مع N,N-dimethylformamide (DMF) والأسيتون بنسبة كتلة 7:3 وتم تحريكه مغناطيسيًا عند 70 درجة مئوية لمدة 12 ساعة. تم الحصول على خيوط متنوعة، بما في ذلك البوليستر، والنايلون الفضي، وكولماكس، والفيكوز، من عدة شركات نسيج. استخدمت عملية النسيج الكهربائي جهاز نسيج كهربائي متقارب، مع ضبط معلمات محددة لمعدل النسيج، والجهد، وسرعة القمع، مما أدى إلى إنتاج خيوط PVDF النانوية. تم تطبيق الشد الساخن للحصول على خيوط HS، بينما تم نسج 3DPF باستخدام نول رابيير أوتوماتيكي بالكامل.
شملت تقنيات التوصيف المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لتحليل شكل السطح، وقياس المسح الحراري التفاضلي (DSC) للتحليل الحراري، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) وتحليل حيود الأشعة السينية لتحليل الطور البلوري. تم تقييم قوة الشد باستخدام آلة اختبار عالمية، وفقًا لمعايير ISO، بينما تم إجراء قياسات زاوية تلامس الماء (WCA) باستخدام مقياس زاوية تلامس الألياف الفردية. تم تقييم أداء إدارة الرطوبة وفقًا لمعايير AATCC، وتم تسجيل الخصائص البيزو كهربائية باستخدام مقياس كهربائي أثناء اختبار الاهتزاز. تم إجراء اختبارات إضافية لاختراق الغاز ومقاومة التآكل وفقًا لمعايير ISO وGB/T ذات الصلة، مما يضمن تقييمًا شاملاً للخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد.
النتائج
تشير النتائج إلى أن خيوط PVDF البيزو كهربائية، التي تم إنتاجها من خلال عملية نسيج كهربائي مستقطب عالي الجهد، تظهر اختلافات كبيرة في الخصائص الميكانيكية بناءً على ظروف المعالجة. تم قياس القوة الأولية لخيوط PVDF النانوية عند 30.2 ± 2.2 ميغاباسكال، مع قطر يبلغ حوالي 109 ميكرومتر والألياف النانوية الفردية تقيس حوالي 850 نانومتر. يعزز الشد الساخن عند درجات الحرارة المثلى الخصائص الميكانيكية ويزيد من محتوى الطور β، وهو أمر حاسم للأداء البيزو كهربائي. تم تحديد درجة حرارة الشد الساخن المثلى عند 140 درجة مئوية، مما يؤدي إلى قوة قصوى تبلغ 313.3 ± 15.8 ميغاباسكال عند نسبة الشد (SR) تبلغ 4، مما يمثل تحسينًا بنسبة 936% مقارنة بالخيوط المنسوجة.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف الدراسة أن الانتقال من الطور غير القطبي α إلى الطور القطبي β يحدث خلال عمليات النسيج الكهربائي والشد الساخن، مع زيادة محتوى الطور β من 54.34% في المسحوق إلى 88.08% في الخيوط المشدودة بالحرارة. تؤكد تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) هذه النتائج، حيث تظهر زيادة في قوة الذروة والمساحة للخيوط المشدودة بالحرارة، مما يدل على تحسين البلورية والتوجه. تلبي الخصائص الميكانيكية للخيوط المشدودة بالحرارة المتطلبات لاستخدامها في آلات النسيج الأوتوماتيكية ثلاثية الأبعاد، متجاوزة المشكلات المتعلقة بتشابك الألياف وخشونة السطح التي لوحظت في خيوط PVDF غير المشدودة.
المناقشة
تناقش البحث الخصائص الفريدة لقماش بيزو كهربائي ثلاثي الأبعاد (3DPF)، الذي يظهر نقلًا أحادي الاتجاه للماء وأداء بيزو كهربائي معزز. يتكون 3DPF من عدة طبقات، مع طبقة داخلية كارهة للماء مصنوعة من خيوط البوليستر وطبقة خارجية محبة للماء من خيوط الفيكسوز، مما يخلق تدرجًا في قابلية البلل. تظهر النتائج التجريبية أن قطرات الماء تُمتص بسرعة بواسطة الطبقة الخارجية بينما يتم دفعها بعيدًا عن الطبقة الداخلية، مما يسمح بنقل العرق بعيدًا عن الجلد بكفاءة. تُعزى هذه الآلية لنقل الماء المضادة للجاذبية إلى القوى الشعرية القوية لخيوط كولماكس الموجهة في الاتجاه Z، التي تسهل حركة الرطوبة من الطبقة الداخلية إلى الطبقة الخارجية، مما يحافظ على جفاف الجلد وراحته.
بالإضافة إلى ذلك، يتم تعزيز الخصائص البيزو كهربائية لـ 3DPF بشكل كبير بوجود العرق، حيث تزداد الحساسية من 0.41 فولت كيلوباسكال⁻¹ في حالة جافة إلى 3.95 فولت كيلوباسكال⁻¹ عند البلل. كما يتحسن وقت الاستجابة من 100 مللي ثانية إلى 50 مللي ثانية تحت ظروف مماثلة. تضع هذه الخصائص 3DPF كمرشح واعد لتطبيقات تكنولوجيا القابلية للارتداء، مثل المفاتيح ذاتية الطاقة لأنظمة الإنذار. تدعم متانة القماش وقابليته للغسل وراحته المزيد من استخدامه المحتمل في الأجهزة القابلة للارتداء على المدى الطويل، مما يجعله مناسبًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك مراقبة الرعاية الصحية وأجهزة السلامة الشخصية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47810-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38664454
Publication Date: 2024-04-25
Author(s): Wei Fan et al.
Primary Topic: Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials
Overview
The research presents a novel approach to developing wearable piezoelectric sensors that address the comfort and breathability issues associated with traditional commercial sensors. By utilizing poly(vinylidene fluoride) (PVDF) nanoyarns with an impressive tensile strength of 313.3 MPa, the authors created a three-dimensional piezoelectric fabric (3DPF) sensor through advanced 3D textile technology. The 3DPF exhibits a tensile strength of 46.0 MPa, the highest reported for flexible piezoelectric sensors, and features an innovative antigravity unidirectional liquid transport mechanism that efficiently moves sweat away from the skin, maintaining a comfortable and dry environment for the user.
Importantly, the presence of sweat does not diminish the piezoelectric properties of the 3DPF; instead, it enhances them. The durability and comfort of the 3DPF are comparable to that of commercial cotton T-shirts, making it a promising candidate for flexible wearable electronic devices. These sensors have significant potential applications in monitoring physiological signals and body posture, converting mechanical signals into electrical signals for effective information transmission. The study highlights the limitations of existing impermeable flexible piezoelectric sensors, which hinder moisture exchange and can lead to discomfort and skin issues, thereby underscoring the advantages of the proposed 3DPF design.
Methods
In this section, the methods employed for the preparation and characterization of PVDF nanoyarns and 3DPF are detailed. The PVDF powder was mixed with N,N-dimethylformamide (DMF) and acetone in a 7:3 mass ratio and stirred magnetically at 70 °C for 12 hours. Various yarns, including polyester, silvered nylon, Coolmax, and viscose, were sourced from multiple textile companies. The electrospinning process utilized a conjugate electrostatic spinning device, with specific parameters set for spinning rate, voltage, and funnel speed, resulting in the production of PVDF nanoyarns. Hot stretching was applied to obtain HS yarns, while 3DPF was woven using a fully automatic rapier loom.
Characterization techniques included scanning electron microscopy (SEM) for surface morphology, differential scanning calorimetry (DSC) for thermal analysis, and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction for crystal phase analysis. Tensile strength was evaluated using a universal testing machine, adhering to ISO standards, while water contact angle (WCA) measurements were conducted with a single-fiber contact angle meter. Moisture management performance was assessed following AATCC standards, and piezoelectric properties were recorded using an electrometer during vibrational testing. Additional tests for gas permeability and wear resistance were performed according to relevant ISO and GB/T standards, ensuring comprehensive evaluation of the physical and chemical properties of the materials.
Results
The results indicate that PVDF piezoelectric nanoyarns, produced through a high-voltage polarized electrospinning process, exhibit significant variations in mechanical properties based on their processing conditions. The initial strength of as-spun PVDF nanoyarns is measured at 30.2 ± 2.2 MPa, with a diameter of approximately 109 μm and individual nanofibers measuring around 850 nm. Hot stretching at optimal temperatures enhances the mechanical properties and increases the β-phase content, which is crucial for piezoelectric performance. The optimal hot stretching temperature is identified as 140 °C, yielding a maximum strength of 313.3 ± 15.8 MPa at a stretching ratio (SR) of 4, representing a 936% improvement over the as-spun yarn.
Additionally, the study reveals that the transition from the nonpolar α-phase to the polar β-phase occurs during the electrospinning and hot stretching processes, with β-phase content increasing from 54.34% in the powder to 88.08% in the hot-stretched yarn. X-ray diffraction (XRD) analysis corroborates these findings, showing enhanced peak strength and area for the hot-stretched yarn, indicative of improved crystallinity and orientation. The mechanical properties of the hot-stretched yarn meet the requirements for use in 3D automatic looms, overcoming issues related to fiber entanglement and surface hairiness observed in non-stretched PVDF nanoyarns.
Discussion
The research discusses the unique properties of a three-dimensional piezoelectric fabric (3DPF), which exhibits unidirectional water transport and enhanced piezoelectric performance. The 3DPF consists of multiple layers, with a hydrophobic inner layer made of polyester yarns and a hydrophilic outer layer of viscose yarns, creating a wettability gradient. Experimental results demonstrate that water droplets are absorbed rapidly by the outer layer while being repelled by the inner layer, allowing sweat to be transported away from the skin efficiently. This anti-gravity water transport mechanism is attributed to the strong capillary forces of Z-oriented Coolmax yarns, which facilitate moisture movement from the inner to the outer layer, maintaining skin dryness and comfort.
Additionally, the piezoelectric properties of the 3DPF are significantly enhanced by the presence of sweat, with sensitivity increasing from 0.41 V kPa⁻¹ in a dry state to 3.95 V kPa⁻¹ when wet. The response time also improves from 100 ms to 50 ms under similar conditions. These characteristics position the 3DPF as a promising candidate for wearable technology applications, such as self-powered switches for alarm systems. The fabric’s durability, washability, and comfort further support its potential use in long-term wearables, making it suitable for various applications, including healthcare monitoring and personal safety devices.