随着Web和物联网的出现，智能可穿戴电子产品越来越多地被开发用于健康监测、计步器和人机交互。玻璃纤维和树脂制成的印刷电路板已不能满足柔性器件的需要。使用聚酯和多胺改进的柔性器件主要用于可折叠显示器领域，但很少直接用于人机交互。纳米复合导电纤维是一种符合柔性可穿戴设备要求的新型纤维材料，具有高柔韧性和强可编织性，可以满足柔性可穿戴设备的要求。纳米复合导电纤维的基体材料主要是有机聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯、纤维素和芳纶纳米纤维（ANFs）。芳纶纳米纤维作为一维纳米材料，在力学性能和耐候性方面具有明显优势。由于ANF自上而下热解的独特形成方式，ANF之间形成的氢键被用于制备用于电子器件柔性基体的高韧性材料。近年来，虽然研究人员基于ANF制备了一些用于导电、传感和电磁屏蔽应用的薄膜、气凝胶和水凝胶材料，但是尚未报道在一维芳纶纤维上原位生长导电材料。
鉴于此，陕西科技大学陆赵情教授团队通过湿法纺丝法制备了涂有聚吡咯（PPy）层的轻质多孔芳纶纳米纤维（ANF）和碳纳米管（CNT）气凝胶纤维，可用于运动检测和信息传输。该ANF/CNT/PPy气凝胶纤维的密度、拉伸强度和电导率分别为56.3 mg/cm3、2.88 MPa和6.43 S/m，这些独特的性能优势使其可用作具有高灵敏度（0.12）和长寿命（1000次循环）的运动传感器。同时，利用气凝胶纤维的微分电导率来减少信息传输时间（最高可达46%）。耐高温和耐低温（-196°C至100°C）气凝胶纤维还可用作快速加热器和离子溶液检测器。这项研究制备的ANF/CNT/PPy气凝胶纤维在人体健康检测和运动监测等领域具有广阔的应用前景。相关工作以“In Situ Loading of Polypyrrole onto Aramid Nanofiber and Carbon Nanotube Aerogel Fibers as Physiology and Motion Sensors”为题发表在国际顶级期刊《ACS Nano》上。
ANF/CNT/PPy纤维的制备与表征
ANF/CNT/PPy气凝胶纤维的制备过程如图1所示。首先，通过磁力搅拌分散ANF/DMSO和CNT/DMSO溶液，形成均匀的ANF/CNT/DMSO溶液。其次，将ANF/CNT/DMSO溶液注入去离子水中，得到灰色的ANF/CNT水凝胶纤维，并先后用Py溶液和FeCl3溶液浸渍。Py单体通过Fe3+离子的氧化在纤维上原位聚合。最后，将ANF/CNT/PPy水凝胶纤维在-60°C下冷冻干燥并将其收集在线轴或片剂上。采用纺丝法连续制备了ANF/CNT/PPy和ANF水凝胶纤维。气凝胶纤维具有多孔内部结构和外部薄壁结构（图2）。基于ANF的气凝胶纤维显示出超低密度（40.1-66.2 mg/cm3）、优异的机械强度和柔韧性、低温下的强弯曲性能和耐高温，这主要归功于ANF气凝胶良好的网络结构。
图1 ANF/CNT/PPy气凝胶纤维的制备
图2 ANF/CNT/PPy气凝胶纤维的表征
ANF/CNT/PPy纤维的形貌与传感特性
作者观察了基于ANF气凝胶纤维的内部和表面结构以分析CNT和PPy对纤维导电性和机械性能的影响（图3）。ANF气凝胶纤维呈现出均匀的3D网络结构，当ANF/DMSO迅速进入凝固浴时，最外层的ANF迅速质子化形成皮质结构。ANF纤维表面结构起皱，收缩明显。添加CNT后，ANF/CNT纤维的收缩减少，表面褶皱变浅。ANF/CNT/PPy纤维比ANF/PPy保留了更多的PPy，并且其光滑表面增强了它们的机械性能和导电性。此外，作者在双电极系统中研究了由纤维制成的传感器的电阻变化（图4）。结果表明，当传感器卸载时，导电层距离增加并扰乱了ANF/CNT/PPy气凝胶纤维中的导电网络。随着张力的增加，CNT和PPy层之间的接触面积减少，因此电阻增加。ANF/CNT/PPy传感器在1000次拉伸循环后依然保持稳定且灵敏度在工作频率范围内令人满意。对于人体活动监测，光纤传感器灵活地连接在人的手指上，并反复弯曲和伸直80°。在1000次弯曲拉伸循环后没有观察到显着下降，表明传感器具有优异的稳定性。
图3气凝胶纤维在不同尺度下的横截面形貌和平面图像
图4 ANF/CNT/PPy气凝胶纤维的传感特性
ANF/CNT/PPy纤维的信息传输与离子识别特性
作者将纤维水平和垂直排列以形成ANF/CNT/PPy气凝胶纤维信号发射器。在ANF/CNT/PPy气凝胶纤维信号发射器上记录和发送SUST、ANF和PPY消息。首字母缩略词“SUST”和“ANF”的拼写时间分别为~14 s和~13 s，分别比轻压和重压模式长35%和46%（图5）。ANF/CNT/PPy气凝胶信号发射器表现出便携性和灵活性等优点。作者利用气凝胶纤维与铜线还制作了一个可记录和发送信息的纺织键盘。当手指按在按键上时，气凝胶纤维变形并与导电铜线接触，产生信号。通过在纺织键盘上施加轻重压力来拼写“ACS”和“NANO”。气凝胶纤维的加热能力表明，ANF/CNT/PPy气凝胶纤维的最高温度随着加热电压增加而增加，在30秒内加热至最高温度（67.2°C），并在15秒内冷却至30°C以下（图6）。此外，由于ANF/CNT/PPy气凝胶纤维具有多孔内部结构且与导电纤维分离，因此还可以检测溶液中的离子。
图5 用于信息传输的实时ANF/CNT/PPy感觉系统
图6 ANF/CNT/PPy气凝胶纤维的加热性能和离子溶液识别
小结：作者成功地用ANF/CNT混合物和PPy溶液制造了ANF/CNT/PPy气凝胶纤维。ANF/CNT/PPy气凝胶纤维的拉伸强度和电导率分别为2.88 MPa和6.43 S/m。ANF/CNT/PPy气凝胶纤维表现出对压力的电阻响应，可用于压力传感器和信息发射。气凝胶纤维还可以检测溶液中的离子。这项研究所制备的ANF/CNT/PPy气凝胶纤维在人体健康检测和运动监测等领域具有广阔的应用前景。
全文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c01540
