Membrana nanofibrosa de politetrafluoroetileno por eletrofiação para sensores autoalimentados de alto desempenho

Resumo

O politetrafluoroetileno (PTFE) é um material de eletreto fascinante amplamente usado para captação e detecção de energia, e um aprimoramento no desempenho pode ser esperado reduzindo seu tamanho em nanoescala devido a uma densidade de carga superficial mais alta obtida. Portanto, o presente estudo demonstra o uso de PTFE nanofibroso para sensores vestíveis autoalimentados de alto desempenho. O PTFE nanofibroso é fabricado por eletrofiação com uma suspensão de partículas de PTFE em solução aquosa diluída de óxido de polietileno (PEO), seguida por um tratamento térmico a 350 ° C para remover o componente PEO das nanofibras de PTFE-PEO eletrofiadas. A membrana nanofibrosa de PTFE obtida exibe boa permeabilidade ao ar com queda de pressão comparável às máscaras faciais, excelente propriedade mecânica com resistência à tração de 3,8 MPa e potencial de superfície estável de - 270 V. Simplesmente ensanduichando a membrana nanofibrosa de PTFE em duas peças de roupas de carbono condutor , um dispositivo nanogerador (NG) respirável, flexível e de alto desempenho com uma potência de pico de 56,25 μW é construído. Notavelmente, este dispositivo NG pode ser usado diretamente como um sensor autoalimentado vestível para detectar movimentos corporais e sinais fisiológicos. A pequena flexão da articulação do cotovelo de 30 °, o ritmo da respiração e o ciclo cardíaco típico são claramente registrados pela forma de onda de saída do dispositivo NG. Este estudo demonstra o uso de membrana nanofibrosa de PTFE eletrofiado para a construção de sensores vestíveis autoalimentados de alto desempenho.

Introdução

A eletrônica vestível tem sido considerada uma classe importante da eletrônica de próxima geração por causa de suas amplas aplicações em muitos campos, como monitoramento de saúde, pele artificial e interfaces interativas humano [1, 2]. O desenvolvimento crescente de eletrônicos vestíveis impulsionou uma grande demanda de sensores vestíveis como peças funcionais básicas desses eletrônicos [3]. Grandes oportunidades surgem, portanto, no desenvolvimento de sensores vestíveis que são leves, flexíveis, extensíveis e podem estar em contato com superfícies específicas. Para atingir essas capacidades, novos materiais funcionais e abordagens no processamento de materiais em nanoescala são necessários para a construção de dispositivos sensores [4,5,6].

Como um dos tipos de sensores vestíveis mais usados, os sensores de pressão flexíveis que podem efetivamente converter força mecânica em sinal elétrico têm ampla aplicação para detecção de movimento corporal [7] e monitoramento de saúde [8, 9]. Recentemente, muitos grupos têm contribuído para o avanço em sensores de pressão altamente sensíveis e flexíveis baseados em piezoresistividade [10] e mecanismo de capacitância [11, 12]. No entanto, esses dispositivos são alimentados principalmente por uma fonte de energia externa, o que os torna complicados e caros, limitando muito sua aplicação. É necessário integrar um sistema com alimentação própria ao dispositivo para dispensar a unidade de fonte de alimentação externa. Felizmente, há energia suficiente gerada a partir das atividades diárias do ser humano, como movimento do braço, calor do corpo e respiração [13], que poderia ser usada para alimentar os sensores. Assim, vários tipos de nanogeradores (NGs) baseados em efeito piezoelétrico [14], efeito triboelétrico [2] e efeito eletrostático [15] foram construídos para utilizar efetivamente a energia do corpo humano como fonte de energia para sensores autoalimentados.

O politetrafluoroetileno (PTFE), como um importante membro das famílias triboelétrica e de eletreto, tem sido amplamente utilizado para captação de energia e dispositivos sensores [16,17,18]. Devido à sua conformação de cadeia helicoidal com uma cobertura uniforme de átomos de flúor na estrutura de carbono, o PTFE mostra boa flexibilidade, inércia química ultra-alta e excelente estabilidade térmica. Essas características tornam o PTFE um material fascinante para muitas aplicações, mas também causam dificuldade significativa em seu processamento. Assim, a maioria dos relatórios sobre a utilização de PTFE para captação e detecção de energia foi focada no uso de filmes finos de PTFE disponíveis comercialmente sem qualquer pós-tratamento [17, 18] ou filmes tratados por processamento de alto custo, como íon reativo gravação [19, 20]. É bem conhecido que aumentar a área de superfície microscópica do gerador triboelétrico pode aumentar sua densidade de carga superficial efetiva ao mesmo tempo e, portanto, promover seu desempenho de saída também [21]. Recentemente, o uso de membrana nanofibrosa de PTFE eletrofiado como uma alternativa ao filme fino de PTFE comercial provou ser um método eficaz para promover o desempenho do NG triboelétrico, devido à área de superfície muito maior do primeiro [22]. A densidade de carga da superfície também é o fator chave que determina o desempenho de um eletreto, sugerindo que a membrana nanofibrosa de PTFE eletrofiado pode ser usada para a construção de dispositivos de eletreto de alto desempenho.

Aqui, relatamos a aplicação de membrana nanofibrosa de PTFE eletrofiado como um eletreto NG de alto desempenho para sensores autoalimentados. O desenho deste trabalho apresenta várias vantagens. Primeiro, o dispositivo sensor autoalimentado foi montado simplesmente imprensando a membrana nanofibrosa de PTFE eletrofiado com duas peças de tecido condutor. Este processo de fabricação é fácil, de baixo custo e fácil de aumentar. Em segundo lugar, ao contrário do filme fino de PTFE, a membrana nanofibrosa mostra uma boa permeabilidade ao ar. Assim, o dispositivo sensor montado é respirável, satisfazendo o requisito de componentes eletrônicos vestíveis. Terceiro, o dispositivo montado pode converter de forma eficiente energia mecânica em eletricidade com uma alta potência de pico de 56,25 μW e estabilidade de operação de longo prazo. Por fim, como um sensor vestível, o dispositivo pode monitorar com sensibilidade o movimento do corpo, bem como os sinais fisiológicos, incluindo a respiração e os batimentos cardíacos, mostrando o potencial de aplicação tanto para o movimento do corpo quanto para o monitoramento da saúde.

Métodos

Fabricação da membrana nanofibrosa de PTFE

A membrana nanofibrosa de PTFE foi fabricada por um método de duas etapas. Primeiro, uma membrana nanofibrosa de PTFE-PEO (óxido de polietileno) foi fabricada por eletrofiação com uma máquina de eletrofiação Kangshen KH1001. Para preparar a solução para eletrofiação, 18 g de suspensão de PTFE (60% em peso, Aladdin) foram adicionados a 6,0 g de água desionizada formando uma suspensão uniforme, então 0,4 g de PEO ( M _w =5 × 10 ⁶ , Aladdin) foi adicionado à solução acima para ajustar a sua viscosidade. Após agitação magnética durante 48 h, a mistura foi carregada em uma seringa de 5 ml com uma ponta de agulha de aço inoxidável. Durante a eletrofiação, uma alta tensão de 25 kV foi aplicada na ponta da agulha e a solução foi bombeada para fora da agulha a uma velocidade de 1,5 mL h ⁻¹ . As fibras ejetadas foram coletadas em um tambor rotativo de metal com velocidade de rotação de 200 rpm por 1 h. A distância entre a ponta da agulha e o coletor foi fixada em 18 cm. Em seguida, a membrana nanofibrosa de PTFE-PEO preparada foi submetida a um tratamento térmico a 350 ° C em atmosfera ambiente por 10 min com uma taxa de aquecimento de 2 ° C min ⁻¹ para obter a membrana nanofibrosa de PTFE.

Carregamento Corona

Para o carregamento corona, a membrana nanofibrosa de PTFE com um lado aterrado foi colocada 5 cm abaixo de uma agulha corona, que foi conectada a uma fonte de alta tensão (DW-N503-4ACDE). Uma tensão de -20 kV foi então aplicada à agulha corona por 5 min.

Montagem do dispositivo sensor com alimentação própria

Em primeiro lugar, a membrana nanofibrosa de PTFE carregada por corona foi armazenada em condição ambiente por 1 dia por causa da queda acentuada de seu potencial de superfície logo após o carregamento corona. Em seguida, ele foi fixado entre dois espaçadores de tereftalato de polietileno com 250 μm de espessura. Posteriormente, a membrana nanofibrosa de PTFE foi ensanduichada em dois eletrodos de tecido condutores para formar o dispositivo sensor com um tamanho efetivo de 4 × 4 cm ² .

Caracterização

A morfologia, composição e cristalinidade das amostras foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (FE-SEM, NANOSEM 450, FEI), espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS, ESCALab250, Thermo Scientific), espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR , Vertex 70, Bruker) e difração de raios-X (XRD, X 'Pert Pro MPD, PANalytical BV), respectivamente. O potencial de superfície, propriedade mecânica e queda de pressão da membrana foram detectados por um eletrômetro (EST102, Huajing Beijing, China), uma máquina de teste universal (REGER RW-T10) e um transmissor de pressão (DP102, instrumentos Sike), respectivamente . A corrente de saída do dispositivo sensor foi medida por um pré-amplificador de corrente de baixo ruído de Stanford (modelo SR570 e NI PCI-6259). Além de testar o desempenho de saída do dispositivo com diferentes resistências de carregamento, todas as outras medições foram realizadas em condição de curto-circuito.

Resultados e discussão

A membrana nanofibrosa de PTFE foi fabricada por uma abordagem de duas etapas, como mostrado esquematicamente na Fig. 1a. Devido à excelente resistência química do PTFE, ele não pode ser dissolvido em nenhum solvente, por isso é difícil eletrofixar diretamente a solução de PTFE em nanofibras. Para superar esse problema, uma abordagem de duas etapas foi geralmente usada para a fabricação de nanofibras de PTFE [23, 24]. Primeiro, um compósito de PTFE nanofibroso foi preparado por eletrofiação, usando um polímero solúvel em água como um transportador para a dispersão de partículas de PTFE. Em seguida, um pós-tratamento térmico foi aplicado para remoção do carreador para obtenção de nanofibras de PTFE. Neste estudo, PEO foi utilizado como um transportador devido à sua boa solubilidade em água e baixo ponto de fusão. Usando a solução aquosa de PEO suspensa por partículas de PTFE como o precursor para eletrofiação, nanofibras de PTFE-PEO com diâmetros de 500 ~ 800 nm foram obtidas com sucesso, conforme mostrado no Arquivo adicional 1:Figura S1. Como a pequena quantidade de PEO (PEO / PTFE =1/27 na solução precursora) não pode empacotar totalmente as partículas de PTFE, as nanofibras de PTFE-PEO preparadas mostram superfície áspera e composição de fase de apenas PTFE (Arquivo adicional 1:Figura S1b ) A fim de obter nanofibras de PTFE puras, um tratamento térmico foi empregado para remover PEO e partículas de PTFE fundidas. De acordo com um estudo anterior, o PTFE derrete a ~ 327 ° C e é termicamente estável até ~ 500 ° C [24]. Assim, uma temperatura de 350 ° C, ligeiramente superior à temperatura de fusão do PTFE, foi escolhida para remover PEO e fundir nanopartículas de PTFE para formar nanofibras contínuas. Conforme mostrado na Fig. 1b, a teia de nanofibra de PTFE com um tamanho de 5 cm x 5 cm foi obtida após a calcinação. O estudo SEM revelou que a morfologia da fibra foi bem mantida após a calcinação (Fig. 1c). A interconexão de algumas nanofibras de PTFE e o desaparecimento das nanopartículas de PTFE nas nanofibras demonstraram a fusão das nanopartículas (inserção da Fig. 1c). A eliminação do componente PEO das nanofibras foi revelada pelo estudo FTIR. Como mostrado na Fig. 1d, o PEO puro exibe vários picos proeminentes em 841, 947, 1059, 1092 e 1342 cm ⁻¹ , correspondendo às vibrações do CH ₂ e grupos CO [22, 25]. Por outro lado, há cinco picos fortes mostrados no espectro FTIR do PTFE puro, entre os quais os mais proeminentes em 1146 e 1201 cm ⁻¹ são característicos de CF ₂ modos de alongamento simétrico e assimétrico, respectivamente [26], e os picos em 512, 554 e 639 cm ⁻¹ pode ser atribuído aos modos de balanço, deformação e oscilação do CF ₂ , respectivamente [27]. Os picos atribuídos a PEO ainda são observáveis ​​no espectro da membrana nanofibrosa de PTFE-PEO submetida a eletrofiação, apesar do baixo teor do componente PEO (conforme indicado pelas linhas tracejadas em laranja na Fig. 1d). Depois de sinterizado a 350 ° C, esses picos desapareceram completamente, resultando na composição de PTFE nua da membrana nanofibrosa.

a Diagrama esquemático que mostra a fabricação de duas etapas de membrana nanofibrosa de PTFE:(1) eletrofiação para obter membrana nanofibrosa de PTFE-PEO e (2) tratamento térmico para remover PEO da membrana nanofibrosa de PTFE-PEO eletrofixada. b Fotografia digital e c Imagem SEM da membrana nanofibrosa de PTFE com a inserção mostrando uma visão ampliada. d Os espectros de FTIR de (1) PEO puro, (2) PTFE puro, (3) membrana nanofibrosa de PTFE-PEO eletrospun e a (4) membrana nanofibrosa de PTFE, com as linhas laranja tracejadas indicam os picos principais de PEO

A Figura 2 mostra um conjunto de resultados de caracterização da membrana nanofibrosa de PTFE. Semelhante à amostra precursora de PTFE-PEO, a membrana nanofibrosa de PTFE consiste em apenas fase de PTFE. Como mostrado na Fig. 2a, existem dois picos de difração localizados a 18,2 ° e 31,7 ° no padrão de XRD, correspondendo aos planos (100) e (110) do PTFE, respectivamente. O estudo do XPS esclarece ainda mais sua composição de PTFE puro. O padrão XPS exibe picos característicos de C 1 ° s e F 1 ° s centrados em ~ 286 e ~ 685 eV, respectivamente (Fig. 2b). Enquanto o pico característico de O 1 s que geralmente aparece em ~ 532 eV não pode ser observado [28], sugerindo que o componente PEO foi completamente eliminado durante o tratamento térmico. Para avaliar a adequação do uso da membrana nanofibrosa de PTFE como um sensor de eletreto vestível, suas propriedades relacionadas aos requisitos desta aplicação específica também foram caracterizadas. A Figura 2c mostra as quedas de pressão quando o ar atravessa a membrana em várias taxas de fluxo. A queda de pressão mantém relação quase linear com a vazão do gás na extensão testada, e seus valores são bastante pequenos, mesmo comparáveis ​​aos das máscaras de filtro [29], demonstrando a boa permeabilidade da membrana ao ar. Plausivelmente devido à interconexão da rede de fibra, a membrana também exibe excelentes propriedades mecânicas com uma resistência à tração de ~ 3,8 MPa e alongamento na ruptura de 220% (Fig. 2d), o que satisfaz o requisito de eletrônicos vestíveis. A Figura 2e mostra a variação do potencial de superfície da membrana em 30 dias. O valor decai acentuadamente de cerca de - 480 a - 300 V após o armazenamento da membrana em condição ambiente por 1 dia e, em seguida, diminui lentamente nos 11 dias seguintes, finalmente se mantém estável em - 270 V. A boa permeabilidade ao ar, excelente propriedade mecânica e o potencial de superfície estável da membrana nanofibrosa de PTFE revela sua aplicação potencial para detecção autoalimentada vestível.

Caracterização na membrana nanofibrosa de PTFE: a Padrão XRD, b Espectro XPS, c queda de pressão em função da taxa de fluxo de gás, d curva tensão-deformação e e variação do potencial de superfície em 30 dias.

Com base em sua capacidade de armazenamento de carga, a membrana nanofibrosa de PTFE poderia ser utilizada para fabricar o eletreto NG. Para manter sua permeabilidade ao ar quando integrado a um dispositivo, um pano condutor comercial com excelente permeabilidade ao ar foi empregado como eletrodo para a construção do eletreto NG (Arquivo adicional 1:Figura S2). Primeiro, duas extremidades da membrana nanofibrosa de PTFE foram fixadas entre dois espaçadores; em seguida, a membrana foi ensanduichada em duas peças de tecido condutor de carbono formando o dispositivo NG com um tamanho efetivo de 4 cm × 4 cm (Fig. 3a). A carga excedente negativa nas nanofibras de PTFE induziria carga positiva nos eletrodos superior e inferior com uma quantidade total igual à da carga negativa (Fig. 3b). Em um estado estático, nenhuma carga poderia ser transferida devido ao estado de equilíbrio da distribuição do potencial elétrico. Quando o estado de equilíbrio foi quebrado pressionando e liberando o dispositivo, a mudança de lacuna entre a membrana de PTFE e os eletrodos de tecido de carbono levaria a uma alteração da capacitância e, assim, resultaria em uma redistribuição das cargas entre os dois eletrodos, produzindo um corrente transitória fluindo através do circuito externo. O mecanismo de funcionamento desta estrutura em sanduíche NG é semelhante aos relatados NGs de estrutura em arco [17, 30]. No entanto, o NG mostrado no presente trabalho é muito mais fácil de ser construído e mais respirável, em comparação com aqueles NGs de estrutura de arco baseado em filme fino e alguns outros NGs baseados em fibra [17, 30,31,32,33,34].

a Fotografia digital do dispositivo NG e b uma ilustração esquemática de sua estrutura. c Corrente de saída de dois dispositivos NG individuais (G1 e G2) e uma conexão paralela deles (G1 + G2). d Saída do NG com diferentes forças de estimulação a 5 Hz. e Saída do NG em diferentes frequências com uma força de estimulação de 5 N. f Saída do NG com diferentes resistências de carregamento. g Estabilidade de ciclagem do NG

Conforme mostrado na Fig. 3c, o NG exibiu uma corrente de pico de ~ 1,5 μA sob uma força de estimulação de 5 N e uma frequência de 5 Hz. Quando dois GNs eram conectados em paralelo com a mesma polaridade, a corrente total de saída era quase o valor adicionado de cada um, indicando que a saída elétrica dos GNs satisfazia o critério de superposição linear nas conexões básicas do circuito [35]. O desempenho do NG foi posteriormente estudado sistematicamente sob diferentes forças e frequências. Em uma determinada frequência, tanto a corrente de pico quanto a quantidade integral de carga transferida (Δ Q ) aumentou com o aumento da força de estimulação de 1 para 5 N (Fig. 3d e arquivo adicional 1:Figura S3a). Um aumento adicional da força de estimulação não poderia promover ainda mais a saída porque Δ Q foi apenas ditada pela amplitude de mudança de gap entre a membrana de PTFE e os eletrodos [17], que já havia atingido o valor máximo com uma força suficiente de 5 N. Além disso, devido ao mecanismo de variação da capacitância, Δ Q manteve um valor quase constante de ~ 26,9 nC com uma variação de frequência porque a amplitude da mudança de gap era independente da frequência (Fig. 3e). No entanto, a corrente de saída aumentou com o aumento da frequência a uma dada força de estimulação (Arquivo Adicional 1:Figura S3b), pois a mesma quantidade de carga foi transferida em um tempo menor. A fim de obter a potência máxima de pico, o desempenho de saída com diferentes resistências de carregamento externo foi estudado a uma frequência de 5 Hz e força de estimulação de 5 N. Como mostrado na Fig. 3f, a corrente de saída manteve-se quase inalterada com uma resistência de carregamento de 0,1 ~ 10 MΩ e depois diminuiu de ~ 1,5 para 0,081 μA com um aumento adicional da resistência de carregamento para 1000 MΩ, implicando em uma resistência interna do dispositivo NG entre 10 e 1000 MΩ. Com base na definição de poder, P = eu ² R , um pico de potência máxima de 56,25 μW poderia ser obtido com uma resistência de carregamento de 100 MΩ. Conseqüentemente, a resistência interna do dispositivo NG foi deduzida em ~ 100 MΩ, porque a potência máxima de um NG aparece na condição de que sua resistência interna corresponda à resistência de carregamento [21]. Por fim, a estabilidade cíclica do NG foi avaliada a uma força de 5 N e frequência de 5 Hz. Conforme representado na Fig. 3g, nenhuma deterioração óbvia na corrente de saída, bem como na quantidade integral de carga transferida, foi encontrada durante os ciclos de 50 k, revelando excelente estabilidade de ciclo do NG.

Para demonstrar o potencial do uso do NG como um sensor autoalimentado para monitoramento do movimento corporal, o dispositivo foi fixado sobre a articulação do cotovelo esticada para monitorar o movimento da articulação do cotovelo. A Figura 4a mostra os sinais elétricos de saída ao dobrar a articulação do cotovelo em uma série de ângulos. Os pulsos de corrente são claramente identificáveis ​​mesmo com um pequeno movimento de curvatura de 30 ° e tornam-se cada vez mais proeminentes em ângulos de curvatura elevados. A Figura 4b desenha a relação entre a saída do NG e o ângulo de mistura da articulação do cotovelo. Devido à complicada deformação do dispositivo, a alteração da lacuna entre a membrana de PTFE e os eletrodos de tecido de carbono não pôde ser quantitativamente correlacionada ao ângulo de flexão da articulação do cotovelo. Assim, a relação entre a saída do dispositivo NG e o ângulo de flexão da articulação do cotovelo só pode ser estabelecida matematicamente, mas não fisicamente. No entanto, a dependência da corrente e da carga transferida no ângulo de mistura pode denotar efetivamente o estado do movimento da articulação do cotovelo, demonstrando a aplicação potencial do NG como um sensor autoalimentado para monitorar o movimento do corpo em tempo real.

a Sinais de saída do NG em vários ângulos de flexão da articulação do cotovelo e b os gráficos correspondentes de corrente de pico e carga integral transferida

Além do aplicativo para monitoramento de movimento corporal, o NG também pode servir como um sensor autoalimentado para monitorar sinais fisiológicos por meio da fixação do dispositivo em posições específicas do corpo humano. Por exemplo, ao fixar o dispositivo NG no abdômen, o encolhimento e a expansão do abdômen durante a respiração irão estimular o dispositivo, gerando sinais elétricos que fornecem informações sobre a respiração. Conforme mostrado na Fig. 5a, ondas de corrente alternada claras com um valor de pico de 6 ~ 10 nA foram registradas, que correspondem bem ao ritmo respiratório de um adulto do sexo masculino com uma frequência de ~ 20 vezes por minuto. O dispositivo NG também pode ser usado para monitorar os batimentos cardíacos quando fixado no tórax ou no pulso. A pulsação regular do coração ou artéria estimulará o dispositivo NG a produzir sinais de corrente periódica correspondentes como traços de batimento cardíaco. É o método denominado balistocardiografia, cujo mecanismo se baseia no rastreamento de movimentos mecânicos sutis gerados pela ejeção de sangue durante o ciclo cardíaco [36]. A Figura 5b apresenta a saída do dispositivo NG conectado ao tórax de um homem, a partir do qual 23 picos de corrente proeminentes em 20 s podem ser identificados de forma inequívoca, sugerindo uma taxa de batimentos cardíacos de ~ 69 batimentos por minuto. Este valor está na faixa da extensão normal para um jovem saudável (60 ~ 100 batimentos por minuto [37]). Além disso, o sinal é capaz de uma interpretação abrangente para extrair informações sobre os detalhes de cada ciclo cardíaco, o que é útil para auxiliar no diagnóstico cardiovascular [36, 38]. Conforme exemplificado na Fig. 5c, a forma de onda elétrica rastreia explicitamente os três processos de um ciclo cardíaco típico, nomeando os estágios de pré-sístole (F – G – H), sístole (I – J – K) e diastólica (L – M – N) [37]. Em comparação com a medição da onda de pulso aórtico perto do coração, monitorar o pulso arterial periférico fixando o dispositivo NG no tronco é mais conveniente. A Figura 5d mostra o sinal de corrente registrado do NG fixado no pulso. Os pulsos de corrente agudos no padrão registram claramente o ritmo de batimento da artéria radial com uma frequência de ~ 72 vezes por minuto. A Figura 5e é uma visão ampliada da forma de onda, da qual dois picos principais podem ser distinguidos:o pico do fluxo sanguíneo incidente P ₁ e o pico refletido P ₂ da região da mão [37]. Com base na amplitude desses picos, o índice de aumento da artéria radial (AI _x = P ₂ / P ₁ ), como um indicador importante de doenças cardiovasculares e danos a órgãos-alvo, pode ser calculado [39]. De acordo com os dados adquiridos, um valor estatístico de ~ 54% foi obtido, sugerindo uma condição cardiovascular normal para um homem de 33 anos.

Sinal de saída do NG anexado em diferentes posições do corpo de um homem: a no abdômen, b no peito e d no pulso; c e e são visualizações ampliadas do sinal em b e d respectivamente

Conclusões

Em resumo, o presente trabalho justificou a adequação do uso de membrana nanofibrosa de PTFE eletrofiado para a construção de sensores vestíveis autoalimentados de alto desempenho. A membrana nanofibrosa de PTFE foi fabricada com sucesso por eletrofiação com uma suspensão aquosa de PTFE-PEO e um pós-tratamento térmico para eliminar o componente PEO. Devido à sua boa permeabilidade ao ar e excelentes propriedades mecânicas e de eletreto, o dispositivo NG fabricado com base na membrana nanofibrosa PFTE eletrofiada pode efetivamente converter energia mecânica em eletricidade com uma alta potência de pico de 56,25 μW e estabilidade de ciclo de longo prazo, mostrando o potencial para ser usado como um sensor vestível autoalimentado sensível. Na verdade, o NG demonstrou ser um excelente sensor vestível que pode monitorar quantitativamente o movimento do corpo e os sinais biológicos, incluindo respiração e batimentos cardíacos, implicando em sua aplicação potencial em eletrônicos vestíveis para o movimento corporal e monitoramento da saúde.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados gerados neste estudo estão incluídos no artigo e seu arquivo adicional.

Abreviações

FE-SEM:

Microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo

FTIR:

Espectroscopia infravermelha com transformada de Fourier

NG:

Nanogerador

PEO:

Óxido de polietileno

PTFE:

Politetrafluoroetileno

XPS:

espectroscopia de fotoelétrons de raios-X

XRD:

Difração de raios X

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