基于超强PVDF压电纳米纱线织物的汗液可渗透三维应变传感器研究报告

一、研究概述

本研究由西安工程大学（Xi’an Polytechnic University）纺织科学与工程学院的范伟（Wei Fan）教授团队主导，联合西安交通大学、西北工业大学、伊朗沙赫鲁德理工大学（Shahrood University of Technology）、印度KLE科技大学（KLE Technological University）以及英国曼彻斯特大学（University of Manchester）等多家单位的研究人员共同完成。范伟、Mashallah Rezakazemi 和葛圣波（Shengbo Ge）为共同通讯作者。该项题为“Sweat permeable and ultrahigh strength 3D PVDF piezoelectric nanoyarn fabric strain sensor”的研究成果于2024年发表于国际知名期刊《Nature Communications》上。

二、研究背景与目的

柔性压电传感器（flexible piezoelectric sensors）能够将机械信号转换为电信号，在脉搏监测、人体运动追踪、血压连续测量以及人机交互等领域应用广泛。然而，目前商用的可穿戴压电传感器通常采用不透气的密封封装（electronic packaging）来保证其抗干扰稳定性，这严重阻碍了皮肤与外界环境的气体交换，导致佩戴者闷热不适。若汗液长时间积聚，甚至可能引发皮肤炎症等疾病。虽然基于纳米纤维膜（nanofiber membrane）的传感器具有一定的透气性，但其机械性能较差，无法承受长期高强度的机械负荷。而纱线基传感器虽兼具透气性和较高强度，但往往因外层导电织物仍需封装而影响最终透气性，或者不具备及时排汗功能。为了解决可穿戴电子设备中透气性与机械性能难以兼顾、汗液累积影响舒适度的问题，本研究旨在开发一种兼具超高强度、优异的单向导湿排汗功能及透气舒适性的新型三维压电织物（3D piezoelectric fabric, 3DPF）传感器，并探索其在智能医疗和儿童安全防护中的自供电开关应用。

三、研究流程与方法

该研究的实施流程可分为三个主要步骤：高性能PVDF压电纳米纱线的制备与热拉伸、三维压电织物的设计与织造，以及压电性能与穿着舒适性的综合评估与应用验证。

第一步，研究团队采用共轭静电纺丝（conjugate electrospinning）技术，在高压电场下将PVDF粉末制备成内部含有取向排列纳米纤维的压电纳米纱线（PVDF nanoyarns）。在此过程中，纳米纤维通过高速卷绕收集并被直接加捻成纱，卷绕速度直接影响纤维的取向度和纱线力学性能。当卷绕速度为1.0 mm/s时，初生纱线的强度达到30.2 MPa，但由于纱线较为蓬松且含有大量无序纤维，其表面毛羽严重，在反复摩擦下易导致纱线纠缠，不适用于自动化三维织机的织造。为解决这一问题并同时提升压电相含量，团队对初生纳米纱线进行了热拉伸（hot stretching）处理。在不同温度和拉伸比下对比发现，当拉伸温度为140 °C、拉伸比（SR，拉伸后与拉伸前纱线的长度比）为4时，所获得的热拉伸纳米纱线（HS yarn）具有最优异的力学性能，其拉伸强度高达313.3 MPa，相较于初生纱线提升了936%，是迄今为止报道的PVDF及其共聚物纳米纱线中的最高值。同时，热拉伸工艺使得纱线直径从109 μm降至54 μm，内部纳米纤维直径从850 nm降至525 nm，纤维的轴向取向度显著提高，这足以满足全自动剑杆织机的织造要求。通过红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）分析证实，高压静电纺丝和热拉伸过程有效促进了PVDF内部非极性的α相（α-phase）向具有极性的β相（β-phase）转变，β相含量从粉末原料的54.34%提升至热拉伸纱线的88.08%，这是压电性能的关键结构基础。

第二步，利用先进的三维纺织技术，将这些具有不同吸湿性能的功能纱线在织机上以正交结构进行织造。设计核心在于构建一个多层的非对称润湿性结构：面向皮肤的内层由疏水的涤纶长丝（polyester yarns）组成；中间层为作为压电核心的热拉伸PVDF纳米纱线及其用于传输电信号的镀银尼龙纱线（silver-nylon yarns）；外层则由具有强吸水性的粘胶长丝（viscose yarns）构成。最为关键的是，Coolmax长丝以其特有的异形截面作为Z向纱线垂直穿插于各层之间，将各层牢固捆绑。正是这种独特的结构设计，赋予了3DPF强大的抗重力单向导湿能力。通过液态水分管理测试仪（MMT）与模拟汗液实验发现，当汗液滴在织物内层时，会被迅速导向外层并在外层扩散，4秒内即可完成抗重力单向传输，使得内层始终保持干燥；而外层的液体则被疏水内层阻挡，无法反渗。其机理在于，Z向的Coolmax纱线具有强大的芯吸效应（core suction effect），其产生的毛细管力（capillary force）驱动水滴克服重力向上运动，疏水内层提供的向上的疏水力（hydrophobic force）阻止了外层液体的回流。这一过程得到了COMSOL多物理场仿真模拟的验证。

第三步，对3DPF传感器进行压电性能和穿着舒适度测试。研究团队使用激振器产生不同压力与频率的激励，并通过静电计记录其电学输出，尤为关键的是测试了传感器在含有模拟汗液状态下的性能变化。耐久性方面，对3DPF进行了拉伸强度、耐磨性、循环按压稳定性和可水洗性的系统评估，并将其透气性、吸湿排汗性能与商业棉布和牛仔布进行对比。应用层面，团队设计了以STM32单片机为核心的硬件与软件系统，结合Wi-Fi和4G模块，开发了病床呼叫系统和儿童腰带报警定位系统，并将其作为自供电无线开关进行了功能验证。

四、主要研究结果

实验结果显示，3DPF传感器在干燥状态下的拉伸断裂强度为46.0 MPa，远高于所有已报道的同类柔性压电传感器。其内层和外层的耐磨次数分别约为32000次和19000次，超出了服装物理化学性能技术标准（GB/T 21295-2014）中规定的10000次要求。在4 Hz频率、20 kPa压力下循环按压超过20000次后，其输出电压仅下降约3%。经过10次标准洗涤后，其输出电压未见显著下降，证明其具备优异的耐久性和可水洗性。在舒适性方面，3DPF的空气透过率为85.25 mm/s，优于牛仔布（24.75 mm/s），能满足透气需求。更突出的是，其内层的润湿时间仅为20.2秒，远快于商业棉布，且吸水速率高达37.4%/s，显示极高的排汗效率。

在关键的压电性能上，研究发现人体出汗不仅能增强3DPF的传感信号输出。在干燥状态下，3DPF在0.5至20 N压力下的输出电压为0.51 V至1.02 V，而含有10 μL人工汗液后，其输出电压在8 N压力下可达8.45 V。在0-1.25 kPa的低压范围内，其电压灵敏度从干燥状态的0.41 V kPa⁻¹提升至出汗后的3.95 V kPa⁻¹。同时，响应时间也从100 ms缩短至50 ms。这一反常的增强效应可能是因为汗液作为一种电荷载体，在绝缘的PVDF材料中引入缺陷使其呈现半导特性，从而提升了压电性能；这可能与湿度对压电材料的增强效应有关。当汗液蒸发后，传感器的性能恢复至原始水平。

在实际应用演示中，3DPF被成功集成于床单边缘，患者可通过按压局部开关，经Wi-Fi向远端医护人员发出求助信号，同时床单的单向导湿功能可保持皮肤干爽，预防褥疮。此外，3DPF被制成儿童腰带，当儿童遇险按压腰带触发开关后，可通过4G模块将求救信号和GPS实时位置信息发送至家长设备，实现隐蔽、及时的求救与定位。

五、研究结论与价值

本研究成功开发出了一种透气、可单向排汗且具有超高强度的三维压电织物应变传感器。该工作解决了可穿戴传感器在长期舒适佩戴与高机械性能之间难以共存的难题。在科学价值上，3DPF传感器展示了汗液增强压电输出这一新现象，为在真实生理环境下稳定工作的柔性电子器件设计提供了新思路。在应用价值上，3DPF不仅外观和触感类似普通商业棉质T恤，舒适耐穿，还具备高灵敏度自供电开关功能，为可长期穿戴的智能病床监控、防走失及个人安全报警等应用提供了切实可行的材料平台和系统方案。

六、研究亮点

本研究的亮点主要体现在以下三点：第一，材料性能的突破，通过共轭静电纺丝结合优化的热拉伸工艺，制备出强度高达313.3 MPa的PVDF纳米纱线，为压电纱线的实际纺织加工奠定了基础。第二，结构与功能的创新，通过三维正交机织结构设计并集成不同亲水性的纱线，首次在同一纬编织物上同时实现了超高力学强度与仅有4秒的抗重力单向快速排汗功能。第三，独特的应用特性，揭示了人体出汗反而能显著增强3DPF传感器灵敏度和响应速度这一与常规封装传感器截然不同的特性，并基于此构建了可隐蔽穿戴的自供电无线警报系统。