可穿戴湿度传感器因其独特的能力在便携式医疗保健、活动监测和人机交互中受到广泛的关注，它们能够感知生理活动（如呼吸、说话、分泌和代谢过程等）中的湿度变化，并将其转换为易于识别和分析的电信号。这对湿度传感器的性能提出了更高的要求，包括出色的灵敏度、响应/恢复速度、更大的检测限和耐用性，即使在动态或其他复杂场景中也能适应快速和细微的生理湿度变化。此外，有必要减少使用生物不相容和不可降解性的石油基聚合物，以满足对健康无害的可穿戴需求。亲水性纤维素材料具有非凡的湿度敏感性，是制备高灵敏湿度传感器的理想材料。然而，原纤维网络过强的吸水能力，水分子会不断渗入，难以解吸，导致装置的响应和恢复时间显著延长；甚至导致整个装置被渗透，导致装置失效和损坏。因此，有必要从化学界面和物理结构的角度优化纤维素基湿度传感器的设计。
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天津科技大学李洁及其合作者提出了一种纤维素基复合材料的界面控制策略，通过致密化原纤维阵列避免了水分子的过度渗透，还促进了导电途径和反应位点的形成，从而显著提高了湿度传感性能。具体来说，TEMPO 氧化纤维素纳米纤维 （TOCNF） 表面的羟基通过脱水缩合与巯基硅烷（MPTMS）的烷氧基缩合。碳纳米管 （CNT） 分散在系统中以构建导电通路，表面的含氧基团进一步与 MPTMS 结合，促进形成对齐的多层结构。Cs2SnCl6钙钛矿 （CSC）被引入系统中，为水分子提供化学解离位点。MPTMS 的游离硫醇基团与CSC上的 Sn4+ 空位形成强配位，以防止晶体聚集和脱落。通过干燥诱导的组装，硅烷调制下的TOCNF/ CNT/ CSC复合材料（S-CC-C）的厚度减少了 76.33%（从 20.7 μm 减少到 4.9 μm），而抗弯曲性有所提高。在材料、界面和结构的协同作用下，湿度传感器表现出快速响应/恢复速度 （1.8 s / 2.9 s）、高灵敏度 （最大超过 5.35 × 106%），以及 11–95% 的相对湿度 （RH） 大检测范围内的低湿度滞后 （< 1 % RH）。此外，S-CC-C 还可以保持 90 天的阻抗稳定性。在应用方面，S-CC-C 对多种生理湿度提供持续准确的响应，包括不同湿度水平、不同呼吸程度的皮肤、说不同音节的单词。此外，它可以在长期运动中稳定地实时监测呼吸频率和振幅，使其成为监测人体活动的理想设备。![]()
图1. S-CC-C 湿度传感器示意图，包括应用、结构及界面相互作用。![]()
图2. CC-C 和 S-CC-C 复合膜的形貌及界面相互作用表征。![]()
图3. S-CC-C湿度传感器的湿度传感性能，包括响应/恢复速度、滞后性、梯度响应性能及耐久性。![]()
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图5. S-CC-C 湿度传感器在人体生理湿度监测中的应用。![]()
图6. S-CC-C 湿度传感器在运动状态下的生理湿度监测应用。该工作以“Facilitating Response/Recovery of cellulosic humidity sensor by Densificating fibril Arrays”为题发表于《Chemical Engineering Journal》（中科院一区TOP，IF=13.3）。天津科技大学轻工学院2021级硕士生耿孟如与2022级硕士生赵嘉琪为共同第一作者，李洁老师与轻工学院2021级硕士生潘啸森（现西安交通大学）为共同通讯作者。天津科技大学为第一通讯单位。该工作受到中国国家自然科学基金 （No.52403104）、国家重点研发计划基金（2022YFC2105503）、生物基纤维制造技术国家重点实验室开放基金（SKL202309）、山东省泰山产业领军人才项目、山东省泰山工业奖学金（2021.1-2024.12）的资助与支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157221
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相关进展
广西大学徐传辉教授 AFM：基于生物梯度结构实现应变和湿度高响应的柔性橡胶基传感器
东北大学田野团队 Small：用于智能控制和人机交互的湿度自适应防冻水凝胶传感器
中山大学吴进/五邑大学吴子轩 AFM：用于健康和环境监测的抗湿度干扰、可拉伸水凝胶基无线氧气传感器
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