柔性织物湿度传感器|中科院苏州纳米所周庚衡研究员Materials Today Nano：超快、高灵敏度、柔性织物湿度传感器

可穿戴电子产品有望成为下一代智能纺织品，用于人机交互、健康监测和其他应用。然而，将电子功能集成到纺织品中，并在穿戴过程中保持其功能是一项巨大的挑战。局部湿度的测量和控制对提高人类生活质量具有重要意义。通过将传统湿度传感器集成到纺织面料上可实现局部湿度监测。然而，传统薄膜状湿度传感器难以较好与织物面料兼容，因此开发纤维状传感材料十分必要。

近日，中国科学院纳米所周庚衡研究员与山东大学何作利研究员、韩国材料研究所Joon-Hyung Byun教授，昌原国立大学Jung-Il Song教授等合作采用湿法纺丝与溶剂交换工艺制备了单壁碳纳米管（SWNT）/聚乙烯醇（PVA）/氯化锂（LiCl）纳米复合纤维并用于超快、高灵敏度、柔性织物湿度传感器。基于SWNT/PVA/LiCl织物的湿度传感器展现出高灵敏度：当环境相对湿度（RH）从100%变化到40%时，其电阻在短响应时间（~5秒）内变化约6倍。其超快响应归因于氯化锂与水分子接触时的快速潮解所产生的离子导电。与此同时，所开发的此类织物湿度传感器对人类呼吸和实时湿度变化响应良好，可以区分深、浅呼吸与织物局部湿度变化。基于纤维状传感器的优异传感性能与其良好的机械变形性能，使得此类高性能湿度传感器能够方便地集成到纺织品面料上，可用于人体微环境湿度状态的实时监测，为人体健康管理提供支撑。

图1  SWNT/PVA/LiCl长丝的合成：（a）湿法纺丝工艺简图；（b）纺丝过程中丙酮和氯化锂溶液之间的溶剂交换示意图；（c）SWNT/PVA/LiCl长丝的扫描电子显微镜（SEM）形态和元素分布。

图3  SWNT/PVA和SWNT/PVA/氯盐复合长丝以及相应打结状态的SEM形貌：（a1-b1）1:20 SWNT/PVA长丝；（a2-b2）SWNT/PVA/KCl长丝；（a3-b3）SWNT/PVA/CaCl₂长丝；（a4-b4）SWNT/PVA/LiCl长丝。

图4  SWNT/PVA/氯盐复合长丝的湿敏性能：（a）电阻随湿度的变化；（b）相对湿度在50%和70%之间改变的循环试验；（c-d）通过缝合在口罩上的SWNT/PVA/LiCl和SWNT/VA/CaCl₂细丝进行呼吸监测的结果；（e）不同氯化锂含量的SWNT/PVA/LiCl长丝传感器进行呼吸监测的结果。

图5  不同SWNT/PVA/LiCl复合长丝的循环伏安特性与相对湿度变化的关系：（a）不同SWNT/PVA/LiCl复合长丝在CV测量期间的电流变化；（b-d）SWNT/PVA/LiCl复合长丝的CV曲线。

图6  SWNT/PVA/氯盐复合长丝的循环伏安特性与相对湿度变化的关系：（a）不同SWNT/PVA/氯盐长丝在CV测量期间的电流变化；（b-d）不同SWNT/PVA/氯盐长丝的CV曲线。

图7  使用分布式SWNT/PVA/LiCl传感器监测纺织品的局部湿度变化：（a）将SWNT/PVA/LiCl长丝传感器缝制成在纺织品上组成传感器矩阵；（b）、（c）、（d）和（e）分别为打开位于传感器#0正下方的加湿器后在5、10、15和20秒的各传感器中的电阻。

结论：

作者简介：

联系我们：nschina@vip.163.com