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桂林理工大學(xué)陸紹榮教授和湖南大學(xué)蔡仁教授課題組《Small》:用于火焰和濕度高靈敏度檢測的雙功能傳感器
2022-09-01  來源:高分子科技

  近日,桂林理工大學(xué)陸紹榮教授課題組和湖南大學(xué)蔡仁教授課題組合作報道了一種多功能傳感器,相關(guān)成果以“A Dual-Function Sensor for Highly Sensitive Detection of Flame and Humidity”為題發(fā)表在國際化學(xué)權(quán)威雜志Small上。論文的第一作者為桂林理工大學(xué)與湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)的博士生張作才,通訊作者為蔡仁教授,共同通訊作者為桂林理工大學(xué)陸紹榮教授。此研究得到國家自然科學(xué)基金(51763009, 51605109, 22004032)、廣西科技重大專項(AA18242010 和 AA18242008)等項目資助。


  隨著5G時代的到來,智能柔性傳感器作為一種關(guān)鍵的智能柔性電子產(chǎn)品,引起了人們的廣泛關(guān)注。通過將濕度和溫度等變化轉(zhuǎn)化為可讀的電信號,這些傳感器已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、智能穿戴設(shè)備、火災(zāi)報警設(shè)備、個性化健康監(jiān)測和智能電子皮膚等領(lǐng)域。然而,大多數(shù)智能傳感器在特殊應(yīng)用中功能單一或缺乏環(huán)境穩(wěn)定性。因此,開發(fā)一種綠色、環(huán)保、高效的多功能傳感器并將其集成在一個智能系統(tǒng)中監(jiān)測火災(zāi)隱患和濕度是非常必要的。 


圖1 MSCG膜的制備:(a)劍麻纖維;(b)接枝劍麻納米纖維(MgC);(c)MgC透射電鏡圖像;(d)蠶繭;(e)蠶絲納米纖維(SNF);(f) SNF的SEM圖像;(g)劍麻纖維結(jié)構(gòu)示意圖;(h)蠶絲纖維結(jié)構(gòu)示意圖;(i)MSG膜的制備工藝;(j) MSCG膜的制備工藝;(k)MSCG膜


  針對提高器件多功能應(yīng)用需求,賦予傳感器濕度敏感性、火焰報警性和耐久性,陸紹榮教授團隊從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā),引入-COOH基團提高劍麻納米纖維素的成膜性,同時引入蠶絲納米纖維和石墨烯,利用蠶絲納米纖維分子上的-NH2基團與劍麻納米纖維素分子上的-COOH基團反應(yīng)結(jié)合以及石墨烯的協(xié)同作用提高火焰報警傳感性能。并采用檸檬酸(CA)進(jìn)行交聯(lián)提高力學(xué)強度,MSCG膜在100℃的水中浸泡后表現(xiàn)出良好的濕強度(128.8 MPa)和快速的濕度響應(yīng)時間 (0.9 s),同時火焰報警系統(tǒng)的響應(yīng)/恢復(fù)時間為1.2 s/2.4 s。并且MSCG膜在重復(fù)干燥-噴水-干燥的過程和重復(fù)火焰-空氣-火焰的過程中表現(xiàn)出良好的濕度和火焰?zhèn)鞲行阅芮译娦盘栞敵鲂阅芫浅7(wěn)定。通過該方法制備了一種具有快速濕度響應(yīng)、火災(zāi)報警響應(yīng)、溫度響應(yīng)和良好濕強度和耐久性的可持續(xù)生物膜(MSCG),可作為濕度和火焰雙功能傳感器用生物降解膜材料。 


2(a)基于MSCG薄膜的循環(huán)濕度傳感器器件示意圖;(b-c)固定噴水次數(shù)時的時間與電流的關(guān)系曲線;(d) MSCG膜在25 ℃和100 ℃時的吸水性能;(e)MSCG膜的載重照片;(f)MSCG膜的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線;(g)基于MSCG膜的循環(huán)火災(zāi)報警傳感器裝置示意圖;(h-i)MSCG膜暴露在火焰源下的循環(huán)電流響應(yīng)曲線 


圖3 MSCG膜濕度傳感器監(jiān)測的四種呼吸模式下的實時電流變化:(a-b)正常呼吸;(c)緩慢呼吸;(d-e)快速呼吸;(f)不規(guī)則的呼吸


  此外,以前期研究成果為基礎(chǔ),利用MSCG膜中的CA可以產(chǎn)生額外的離子,能顯著降低MSCG膜在高相對濕度(RH)條件下電阻的特性。通過成人在不同狀態(tài)下的呼吸實驗,在模擬快速呼吸的實驗中,所設(shè)計的多功能傳感器的響應(yīng)/恢復(fù)時間非常快速,達(dá)到了0.38 s/0.75 s(52?100% RH)。因此,可以將MSCG膜組裝成一種多功能智能傳感器系統(tǒng),并通過智能設(shè)備實時監(jiān)測。該工作為多功能傳感器在火災(zāi)事故監(jiān)測、環(huán)境濕度、個人健康監(jiān)測和呼吸診斷分析方面的研究提供了新的思路。 


圖4用于智能火災(zāi)報警、高溫預(yù)警和水響應(yīng)系統(tǒng)的多功能傳感器示意圖


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/smll.202203334

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