DOI: 10.1021/acsami.9b18823

本文提出了一种设计策略，使用基于全聚（偏二氟乙烯）（PVDF）纳米纤维网的传感元件和电极来监测人体呼吸，从而制备对气流具有超敏感性的柔性弯曲传感器（BS）。引入具有银纳米粒子界面的独特静电纺丝（集电极转速为2000rpm，针尖到集电极距离为4cm），制备了高β相含量的银掺杂取向的PVDF纳米纤维网（AgOriPVDF，β相结晶度为44.5%）。在此之后，通过化学镀银技术（SP-AgOriPVDF）将部分制备的AgOriPVDF加工成柔性导电电极。有趣的是，带有SP-AgOriPVDF电极的封装AgOriPVDF 弯曲传感器对注入的气流表现出优异的压电弯曲响应（开路峰-峰输出电压Vp-p≈4.6 V），比带有导电带电极的未包装随机排列的PVDF纳米纤维网弯曲传感器的压电弯曲响应高200倍以上（Vp-p≈0.02V）。另外，对弯曲传感器的弯曲灵敏度的影响因素，如β相含量、纳米纤维取向、电极的柔性等，也进行了详尽的分析和讨论。本研究还证明了AgOriPVDF 弯曲传感器具有足够的能力来检测和识别各种呼吸信号，为智能呼吸防护设备等可穿戴式应用提供了巨大的潜力。

图1.使用生理记录系统和压电薄膜实验室放大器测量压电弯曲响应的呼吸模拟器示意图。

图2.使用PVDF纳米纤维网的超灵敏柔性弯曲传感器设计示意图。（a）独特的银界面静电纺丝（RSC=2000rpm和TCD=4cm）用于AgOriPVDF制备；（b）带切割线的AgOriPVDF的两个不同用途；（c）化学镀银工艺；（d）SP-AgOriPVDF，（e）层压工艺，（f）共聚酯封装，以及（g）带有SP-AgOriPVDF电极的AgOriPVDF弯曲传感器的照片。

图3.（a）NeatPVDF和（b）AgOriPVDF在15至25°范围内的XRD图谱和相应的曲线反卷积，（c）NeatPVDF和AgOriPVDF在400至1500 cm-1波数范围内的FTIR光谱，以及（d）银纳米粒子的表面电荷与β相CH2偶极子相互作用，以及（e）从α相到β相的跃迁的示意图。

图4.（a）NeatPVDF和（b）带有SP-AgOriPVDF插图的AgOriPVDF的照片。带有（c）NeatPVDF和（d）AgOriPVDF的纳米纤维直径（左下插图）和纳米纤维排列角（右上插图）统计分布的FE-SEM图像（放大倍数为5000）。SP-AgOriPVDF的FE-SEM图像，放大倍数为（e）5000，放大倍数为（f）20000。

图5.（a）NeatPVDF和（b）AgOriPVDF传感元件的压电弯曲响应的比较，两者均以导电带作为电极而不进行包装，并且两个共聚酯封装的AgOriPVDF 弯曲传感器带有（c）SP-AgOriPVDF电极和（d）导电带电极。（e）循环疲劳测试：记录的带有SP-AgOriPVDF电极的共聚酯封装的AgOriPVDF 弯曲传感器在6000s（3000个循环）期间的开路输出电压，以及在1000s（左插图）和5000s后的放大数据（10s）（右插图）。并在相同条件下记录所有数据（呼吸模拟器：压缩频率为0.5Hz，注入的空气量为250mL/每组）。

图6.（a）气流弯曲的弯曲传感器侧视图和弯曲过程中产生的偶极变化的示意图；（b）具有对齐纳米纤维和随机纳米纤维的两个弯曲传感器前视图的比较及其力图。（c）SP-AgOriPVDF电极和导电带电极封装的两种AgOriPVDF弯曲传感器的应力-应变曲线（15个循环）及其压缩弹性模量（E）以及（d）SP-AgOriPVDF和导电带的片电阻。

图7.（a）当将两个传感器用胶带轻轻地粘在白板上时，如插图所示，比较商用压电PVDF薄膜和静电纺丝PVDF纳米纤维网对被呼出空气的热电响应。（b）在开放环境中呼吸测量装置的示意图，在该环境中，呼吸空气使AgOriPVDF弯曲传感器偏转。（c）带有SP-AgOriPVDF电极的AgOriPVDF弯曲传感器检测到的各种呼吸模式。