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中国科大龚兴龙教授课题组 CEJ：用于人体防护和穿戴系统的多功能剪切增稠液基纱线

分类：学术交流发表时间：2022-10-21阅读次数：10

文章出处“高分子科技”公众号


纵观人类历史，军事和非军事冲突造成了大量的伤害、残疾甚至死亡。同时，在日常生活中，因物体坠落、打滑、运动碰撞、车祸等造成的撞击也很常见。在这种情况下，迫切需要开发能应用于人体防护装备的吸能材料。近年来，剪切增稠液(STF)作为一种智能材料，在抗冲击和人身安全保护领域备受关注。然而，当STF暴露在空气中时，其剪切增稠性能可能会下降，并存在脱落的风险。此外，除提高防护性能外，抗冲击装备的重要发展方向是智能化和功能化。


鉴于此，中国科学技术大学龚兴龙教授团队在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“Multi-functional STF-based yarn for human protection and wearable systems”的论文。该论文通过水浴加热的方式将STF封装在硅橡胶管中，成功地获得了具备高能量耗散性能的STF基纱线。然后，通过在STF基纱线表面涂覆CNTs/PDMS，研制了能对各种刺激响应的多功能智能纱线(C-STF基纱线)。基于C-STF基纱线编织的C-STF基织物在具备优良抗冲击性能的同时还可以对外界刺激做出响应。


STF基纱线和C-STF基纱线的制备与表征

图1描述了STF基纱线和C-STF基纱线的制备流程。首先，通过注射器将STF注入硅胶管中，然后使用PDMS对硅胶管进行封装得到了STF基纱线。C-STF基纱线是通过在STF基纱线表面涂覆CNTs/PDMS得到的。STF基纱线和C-STF基纱线具备良好的柔韧性，可以编织成STF基织物和C-STF基织物。图2展示了相关材料的微观形态。
 

图1. STF基纱线制备工艺图。
 

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图2. 材料的微观形态表征。

STF的流变性能

测试了不同浓度剪切增稠液的流变性能。从图3可以看出，不同浓度的剪切增稠液均表现出明显的剪切增稠特性。随着STF浓度的增加，峰值粘度增大，临界剪切速率减小，说明剪切增厚效应随STF浓度的增加而增大。
 

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图3. STF的流变性能。

STF基纱线和C-STF基纱线的力学性能

图4显示了STF基纱线压缩性能的测试结果。增大STF浓度和加载速率会增强STF的剪切增稠效应，从而在压缩过程中耗散更多的能量。此外，在压缩过程中，只有压缩位置附近的很小部分区域受到影响。对STF基纱线受压缩的过程使用耦合欧拉-拉格朗日方法进行了模拟。结果表明，增大压缩速度和STF的浓度会导致STF的内应力水平增加，从而影响弹性体管壁的变形，造成压缩阻力增大和耗散更多的能量（图5）。
 

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图4. STF基纱线和C-STF基纱线的压缩性能。
 

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图5. 压缩过程的有限元模拟结果。

C-STF基纱线的传感性能

CNTs/PDMS使C-STF基纱线具有了对变形的响应能力。C-STF基纱线在拉伸条件下的电阻变化率与应变呈现分段线性的关系，并且其在循环加载条件下具备一定的稳定性（图6）。进一步研究了C-STF基纱线在不同变形模式下的相对电阻变化。经过压缩和弯曲，C-STF基纱线产生了稳定且明显的电阻变化信号。此外， C-STF基纱线可以实时监测手指运动。将C-STF基纱线附着在手指外侧，分别在手指反复弯曲、握住杯子和敲击鼠标的过程中检测到稳定信号。
 

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图6. C-STF基纱线的传感性能。

STF基织物和C-STF基织物的抗冲击性能

用STF基纱线和C-STF基纱线编织可以分别得到STF基织物和C-STF基织物。通过落锤试验探究了STF基织物的抗冲击性能（图7）。结果表明，STF的剪切增稠性能使STF基织物具备了良好的抗冲击性能。通过增加STF的浓度，可以减小STF织物在冲击时的峰值力和变形，增加更多的能量耗散，从而达到更好的抗冲击效果。由于C-STF基织物相较于STF基织物的厚度略有增大，C-STF基织物在冲击过程中的峰值力低于STF基织物。此外，STF基织物的抗冲击性能优于常见的缓冲材材（如硅橡胶、Epe泡沫和Eva泡沫等）。
 

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图7. STF基织物与C-STF基织物的抗冲击性能。

C-STF基织物的冲击传感性能及运动监测功能

由C-STF基纱线织成的C-STF基织物不仅具有良好的抗冲击性能，还可以对外界刺激做出响应。C-STF基织物可以应用于头盔和护膝的缓冲层，当头盔或护膝受到冲击时，由于C-STF基织物的存在，可以减少或避免对人体的冲击损伤。同时，C-STF基织物的冲击监测能力可以输出电信号反映冲击损伤程度，进而帮助医生判断患者的损伤程度（图8）。此外，C-STF基织物也可以用作可穿戴传感器，监测大变形下的人体关节运动。如图9所示，C-STF基织物置于肘关节上时，其电阻变化率随关节弯曲角度的增大而增大。此外，C-STF基织物也可以固定在膝关节上。当人体静止时，其信号保持稳定。当进行走、跑、下蹲和跳跃运动时，C-STF基织物立即响应并输出稳定的电信号。
 

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图8. C-STF织物的冲击监测性能表征及应用。

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 图9. C-STF织物的运动监测性能。

综上所述，该工作研制了一种具有优异能量耗散性能和传感能力的多功能柔性纱线，基于该纱线编织出的智能织物具备良好的抗冲击性能和智能监测功能。这种抗冲击性能优异的复合材料在人体监测和防护方面显示出了广阔的应用前景，也为智能可穿戴防护装备的发展提供了重要的指导。论文第一作者为中国科大工程科学学院博士研究生张峻硕，通讯作者为中国科大工程科学学院龚兴龙教授和王宇副教授。

该研究得到了国家自然科学基金项目、中央高校基本科研基金的资助和支持。


原文链接：

Junshuo Zhang, Yu Wang, Jianyu Zhou, Jianpeng Wu, Shuai Liu, Min Sang, Bing Liu, Yucheng Pan and Xinglong Gong, Multi-functional STF-based yarn for human protection and wearable systems, Chem. Eng. J., 2022. DOI: 10.1016/j.cej.2022.139869.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139869