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中國科大龔興龍教授課題組 CEJ:用于人體防護和穿戴系統的多功能剪切增稠液基紗線
2022-10-21  來源:高分子科技

  縱觀人類歷史,軍事和非軍事沖突造成了大量的傷害、殘疾甚至死亡。同時,在日常生活中,因物體墜落、打滑、運動碰撞、車禍等造成的撞擊也很常見。在這種情況下,迫切需要開發能應用于人體防護裝備的吸能材料。近年來,剪切增稠液(STF)作為一種智能材料,在抗沖擊和人身安全保護領域備受關注。然而,當STF暴露在空氣中時,其剪切增稠性能可能會下降,并存在脫落的風險。此外,除提高防護性能外,抗沖擊裝備的重要發展方向是智能化和功能化。


  鑒于此,中國科學技術大學龔興龍教授團隊在《Chemical Engineering Journal》上發表了題為“Multi-functional STF-based yarn for human protection and wearable systems”的論文。該論文通過水浴加熱的方式將STF封裝在硅橡膠管中,成功地獲得了具備高能量耗散性能的STF基紗線。然后,通過在STF基紗線表面涂覆CNTs/PDMS,研制了能對各種刺激響應的多功能智能紗線(C-STF基紗線)。基于C-STF基紗線編織的C-STF基織物在具備優良抗沖擊性能的同時還可以對外界刺激做出響應。


STF基紗線和C-STF基紗線的制備與表征


  圖1描述了STF基紗線和C-STF基紗線的制備流程。首先,通過注射器將STF注入硅膠管中,然后使用PDMS對硅膠管進行封裝得到了STF基紗線。C-STF基紗線是通過在STF基紗線表面涂覆CNTs/PDMS得到的。STF基紗線和C-STF基紗線具備良好的柔韌性,可以編織成STF基織物和C-STF基織物。圖2展示了相關材料的微觀形態。 


圖1. STF基紗線制備工藝圖。 


圖2. 材料的微觀形態表征。


STF的流變性能


  測試了不同濃度剪切增稠液的流變性能。從圖3可以看出,不同濃度的剪切增稠液均表現出明顯的剪切增稠特性。隨著STF濃度的增加,峰值粘度增大,臨界剪切速率減小,說明剪切增厚效應隨STF濃度的增加而增大。 圖3. STF的流變性能。


STF基紗線和C-STF基紗線的力學性能


  圖4顯示了STF基紗線壓縮性能的測試結果。增大STF濃度和加載速率會增強STF的剪切增稠效應,從而在壓縮過程中耗散更多的能量。此外,在壓縮過程中,只有壓縮位置附近的很小部分區域受到影響。對STF基紗線受壓縮的過程使用耦合歐拉-拉格朗日方法進行了模擬。結果表明,增大壓縮速度和STF的濃度會導致STF的內應力水平增加,從而影響彈性體管壁的變形,造成壓縮阻力增大和耗散更多的能量(圖5)。 


圖4. STF基紗線和C-STF基紗線的壓縮性能。 


圖5. 壓縮過程的有限元模擬結果。


C-STF基紗線的傳感性能


  CNTs/PDMS使C-STF基紗線具有了對變形的響應能力。C-STF基紗線在拉伸條件下的電阻變化率與應變呈現分段線性的關系,并且其在循環加載條件下具備一定的穩定性(圖6)。進一步研究了C-STF基紗線在不同變形模式下的相對電阻變化。經過壓縮和彎曲,C-STF基紗線產生了穩定且明顯的電阻變化信號。此外, C-STF基紗線可以實時監測手指運動。將C-STF基紗線附著在手指外側,分別在手指反復彎曲、握住杯子和敲擊鼠標的過程中檢測到穩定信號。 


圖6. C-STF基紗線的傳感性能。


STF基織物和C-STF基織物的抗沖擊性能


  用STF基紗線和C-STF基紗線編織可以分別得到STF基織物和C-STF基織物。通過落錘試驗探究了STF基織物的抗沖擊性能(圖7)。結果表明,STF的剪切增稠性能使STF基織物具備了良好的抗沖擊性能。通過增加STF的濃度,可以減小STF織物在沖擊時的峰值力和變形,增加更多的能量耗散,從而達到更好的抗沖擊效果。由于C-STF基織物相較于STF基織物的厚度略有增大,C-STF基織物在沖擊過程中的峰值力低于STF基織物。此外,STF基織物的抗沖擊性能優于常見的緩沖材材(如硅橡膠、Epe泡沫和Eva泡沫等)。 


圖7. STF基織物與C-STF基織物的抗沖擊性能。


C-STF基織物的沖擊傳感性能及運動監測功能


  由C-STF基紗線織成的C-STF基織物不僅具有良好的抗沖擊性能,還可以對外界刺激做出響應。C-STF基織物可以應用于頭盔和護膝的緩沖層,當頭盔或護膝受到沖擊時,由于C-STF基織物的存在,可以減少或避免對人體的沖擊損傷。同時,C-STF基織物的沖擊監測能力可以輸出電信號反映沖擊損傷程度,進而幫助醫生判斷患者的損傷程度(圖8)。此外,C-STF基織物也可以用作可穿戴傳感器,監測大變形下的人體關節運動。如圖9所示,C-STF基織物置于肘關節上時,其電阻變化率隨關節彎曲角度的增大而增大。此外,C-STF基織物也可以固定在膝關節上。當人體靜止時,其信號保持穩定。當進行走、跑、下蹲和跳躍運動時,C-STF基織物立即響應并輸出穩定的電信號。 


圖8. C-STF織物的沖擊監測性能表征及應用。


 圖9. C-STF織物的運動監測性能。


  綜上所述,該工作研制了一種具有優異能量耗散性能和傳感能力的多功能柔性紗線,基于該紗線編織出的智能織物具備良好的抗沖擊性能和智能監測功能。這種抗沖擊性能優異的復合材料在人體監測和防護方面顯示出了廣闊的應用前景,也為智能可穿戴防護裝備的發展提供了重要的指導。論文第一作者為中國科大工程科學學院博士研究生張峻碩,通訊作者為中國科大工程科學學院龔興龍教授和王宇副教授。


  該研究得到了國家自然科學基金項目、中央高校基本科研基金的資助和支持。


  原文鏈接:

  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

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