高密度構造グラフェンファイバーに基づく運動モニタリング用圧力センサー

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グラフェンファイバー ウェットスピニング 高密度構造 圧力センサー 運動モニタリング

学術的背景

スマートウェアラブルデバイスの急速な発展に伴い、圧力センサーはコアコンポーネントとして、健康モニタリング、ヒューマン・マシン・インタラクション、人工知能などの分野で広く注目されています。圧力センサーはそのセンシング原理に基づいて、主に容量式、圧電式、摩擦電気式、圧抵抗式などに分類されます。その中でも、圧抵抗式圧力センサーは構造が単純で感度が高く、製造コストが低いため、研究のホットスポットとなっています。しかし、高感度を実現しながら検出範囲を拡大することは、圧抵抗式センサーの実際の応用における大きな課題です。

グラフェンはその優れた導電性、高い比表面積、卓越した機械的強度により、センサーフィールドで優れた性能を示しています。しかし、グラフェンは実際の応用において、その機械的および電気的性能が理想的なレベルに達することが難しく、耐久性と性能の一貫性に影響を与えています。グラフェンファイバーはグラフェンのマクロな集合体として、グラフェンの優れた性能を継承し、その繊維形態により良好な編み込み性と耐磨耗性を持っています。しかし、グラフェンファイバーを製造する際に、応力、ひずみ、電気的性能のバランスを取ることは依然として難しい課題です。紡糸プロセスと後処理技術を最適化することで、グラフェンファイバーの性能を向上させ、繊維ベースの圧力センサーの性能を高めることができます。

論文の出典

この論文は、Yifan Zhi、Honghua Zhang、Lugang Zhang、Qianqian Li、Xiangtian Kuang、Wen Wu、Qingqing Zhou、Ping Li、Wei Li、Huanxia Zhangによって共同執筆され、著者は東華大学と嘉興学院に所属しています。この論文は2024年11月19日に『Advanced Fiber Materials』誌に掲載され、DOIは10.1007/s42765-024-00502-9です。

研究のプロセス

1. 材料の準備

本研究では、まず改良されたHummers法を用いて酸化グラフェン（GO）を調製し、著者らの以前の研究に基づいてアミノ修飾されたFe₃O₄ナノ粒子を合成しました。その他の試薬、例えば酢酸、N-ヒドロキシスクシンイミド（EDC）、1-エチル-(3-ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド塩酸塩（NHS）などは商業ルートで購入しました。

2. 紡糸ドープ液の調製

異なる比率の大サイズと小サイズのGOシートとFe₃O₄ナノ粒子を混合し、氷水浴中で2時間超音波分散し、25 g/Lの紡糸ドープ液を調製しました。大サイズと小サイズのGOシートの比率（10:0、9:1、8:2、7:3、6:4）およびGOとFe₃O₄ナノ粒子の比率（10:0、9.5:0.5、9:1、8.5:1.5、8:2）を調整し、紡糸ドープ液の性能を最適化しました。

3. グラフェンファイバーの製造

紡糸ドープ液を25 mL/hの流速でフラットスピナーレットを通過させ、酢酸凝固浴に押し出し、凝固浴に磁場を印加しました。異なるドロー比（1.0:1.3）で繊維を収集し、85°Cで12時間真空乾燥して磁性酸化グラフェンファイバー（MGOFs）を得ました。その後、HI蒸気を用いて4時間還元し、最終的に繰り返し洗浄と乾燥を行い、磁性グラフェンファイバー（MGFs）とグラフェンファイバー（GFs）を得ました。

4. 圧抵抗センサーの製造

調製されたMGFsを6本の繊維で構成される平織りに編み、5層の織物を積層し、導電テープで接続しました。最後に、MGFs織物をPETフレキシブルインタージグレート電極と組み合わせ、PDMSフィルムで封止しました。

5. 材料の特性評価

走査型電子顕微鏡（SEM）、原子間力顕微鏡（AFM）、X線光電子分光法（XPS）、X線回折（XRD）、ラマン分光法、小角X線散乱（SAXS）などの手段を用いて、材料の形態と構造を評価しました。引張試験と繰り返し圧縮試験は、それぞれユニバーサル試験機とソースメーターで行いました。

研究結果

1. MGFsの形態と構造分析

SEM画像から、ドローされたGFsは長軸方向に高度に配向し、層間隔は70-497 nmの範囲で、平均値は183 nmでした。小サイズGOシートを添加すると、GFs表面の溝現象が顕著になり、層間力が強化されました。Fe₃O₄ナノ粒子を添加すると、粒子がグラフェンシートの間に進入し、シート密度が低下し、平均層間隔は80.2 nmとなりました。AFM分析から、ドロー後の繊維表面の高さ差は60 nmから45 nmに減少し、ドローが繊維表面の平滑化に有効であることが示されました。XPSおよびXRD分析により、HIと高温がMGFsに及ぼす還元効果が確認され、ラマンスペクトルでは還元後の欠陥構造が減少し、SAXS分析ではドローとFe₃O₄ナノ粒子ドーピングがグラフェンファイバーの配向と緻密化に異なる影響を与えることが明らかになりました。

2. MGFs圧力センサーのセンシング性能

MGFs圧力センサーは低圧力範囲（0-40 kPa）で高感度（0.233 kPa⁻¹）を示し、高圧力範囲（>40 kPa）では感度が0.048 kPa⁻¹に低下しました。センサーは異なる圧力（10、20、30、40 kPa）での繰り返し圧縮実験において、良好な再現性と安定性を示しました。応答時間と回復時間はそれぞれ121 msと158 msであり、センサーは1300回の圧縮サイクル後も安定した電流信号を維持し、優れた耐久性を示しました。

3. MGFs圧力センサーの応用

MGFs圧力センサーは、指圧、肘関節の曲げ、指の曲げ、発音、呼吸、脈拍検出など、人間の生理活動のモニタリングに成功しました。センサーは異なる圧力下の信号を正確に識別し、ウェアラブルデバイスにおける幅広い応用可能性を示しました。

結論

本研究では、チャネル制限されたGOとFe₃O₄ナノ粒子の添加によりMGFsを調製する戦略を提案し、繊維ベースのウェアラブル圧力センサーを構築することに成功しました。MGFsは優れた電気的および機械的特性を有し、センサーは広い検出範囲、高感度、迅速な応答/回復時間、優れた耐久性を示しました。このセンサーは生理モニタリング、ヒューマン・マシン・インタラクション、スマートウェアラブルデバイスにおいて重要な応用価値を持っています。

研究のハイライト

  1. 高密度構造グラフェンファイバー：紡糸プロセスと後処理技術を最適化し、高い引張強度（58.6 MPa）、ひずみ（5.3%）、導電性（1.7 × 10⁴ S/m）を持つMGFsを調製しました。
  2. 多層織物センシング層：センサーは多層織物構造を採用し、検出範囲と感度を大幅に向上させました。
  3. 迅速な応答と耐久性：センサーの応答時間は121 ms、回復時間は158 msで、1300回の圧縮サイクル後も安定した性能を維持しました。
  4. 幅広い応用可能性：センサーは人間の生理活動のモニタリングに成功し、ウェアラブルデバイスにおける幅広い応用の可能性を示しました。

その他の価値ある情報

本研究は、浙江省自然科学基金、国家科学技術部重点研究開発計画、嘉興市科学技術計画プロジェクトなど、多数のプロジェクトから支援を受けました。データは対応著者から入手可能です。