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福建工程學(xué)院陳汀杰課題組《ACS AMI》：水性MXene油墨實(shí)現(xiàn)高彈導(dǎo)電植物纖維海綿壓阻傳感器的制備
2022-11-10  來(lái)源：高分子科技

  隨著可穿戴電子產(chǎn)品需求的增加，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和收集人體體征信號(hào)的柔性壓阻傳感器（PRS）受到了廣泛的關(guān)注。相比于二維平面結(jié)構(gòu)，具有壓縮回彈特性的導(dǎo)電多孔材料更適合用于PRS的組裝，它可以大幅度改善柔性PRS器件的壓阻靈敏度、檢測(cè)限和響應(yīng)時(shí)間。利用水熱處理和高溫碳化等技術(shù)，將天然多孔的生物質(zhì)材料制備成具有壓縮回彈和導(dǎo)電特性的三維多孔材料，是當(dāng)前PRS研究領(lǐng)域里一種可行的方法。但是，由于高溫碳化過(guò)程中，生物質(zhì)材料容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，材料脆性大，致使制備得到的多孔材料力學(xué)性能較差，無(wú)法滿足高靈敏度和低檢測(cè)限PRS傳感器的組裝。


  福建工程學(xué)院陳汀杰副教授課題組與南方科技大學(xué)常建副研究員在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上發(fā)表了一篇題為“Piezoresistive Sensor Containing Lamellar MXene-Plant Fiber Sponge Obtained with Aqueous MXene Ink”的文章。文章提出一種以植物纖維為原料，MXene納米片為改性物質(zhì)，經(jīng)過(guò)液體機(jī)械發(fā)泡和有機(jī)包埋的方法，制備具有高壓縮回彈和導(dǎo)電特性的多孔MXene改性植物纖維海綿（MX-PFS），并將其應(yīng)用于PRS器件的組裝及測(cè)試。該制備工藝簡(jiǎn)單，不需經(jīng)過(guò)高溫碳化，可制備大尺寸樣品。為實(shí)現(xiàn)材料的導(dǎo)電改性，文章以MXene納米片、聚醋酸乙烯酯和炭黑為原料，通過(guò)物理球磨的方法，制備水性的導(dǎo)電MXene油墨。該油墨可以直接被刷涂或噴涂到纖維素紙上，制備出多響應(yīng)（光驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)和濕度驅(qū)動(dòng)）雙向彎曲驅(qū)動(dòng)器。由于水性MXene油墨中含有聚醋酸乙烯酯，可作為一種粘結(jié)劑使用，將其添加到植物纖維發(fā)泡材料的制備流程中，通過(guò)物理機(jī)械攪拌發(fā)泡的方法，可制備出由一維包裹MXene涂層的植物纖維和二維MXene納米片構(gòu)成的層狀多孔導(dǎo)電MX-PFS海綿。然后，通過(guò)聚二甲基硅氧烷（PDMS）的浸涂處理，可以制備出具有優(yōu)異壓縮回彈性的導(dǎo)電MX-PFS海綿（MX-PFS@PDMS）。MX-PFS@PDMS的壓縮應(yīng)變高達(dá)60%，且具有良好的機(jī)械循環(huán)穩(wěn)定性（10000壓縮-回彈循環(huán)不變形）。將MX-PFS@PDMS組裝成PRS器件，展現(xiàn)出較高的壓阻靈敏度（435.06 kPa?1），低的檢測(cè)限（20 Pa）和快速的響應(yīng)時(shí)間（40 ms）。此外，將MX-PFS@PDMS傳感器粘附在人體的不同部位（如手指、手腕、膝蓋、面部等），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體不同部位運(yùn)動(dòng)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確收集各種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)，展現(xiàn)了該材料在可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用潛能，同時(shí)也為植物纖維材料在可穿戴柔性傳感領(lǐng)域的應(yīng)用提供新思路。 


圖1.（a）MXene油墨和（b）MX-PFS的制備流程和界面相互作用示意圖。 


圖2. (a-b) 剝離后MXene納米片的TEM和AFM圖; (c-d) 水性MXene油墨用于絲網(wǎng)印刷; (e) Paper和Paper@MXene的I?V曲線; (f) Paper@MXene在不同電壓作用10 s下表面溫度分布圖; (g) BOPP/MXene/Paper驅(qū)動(dòng)器的制備示意圖; (h-i) BOPP/MXene/Paper驅(qū)動(dòng)器在不同電壓作用10 s后彎曲變化的光學(xué)圖; (j) 驅(qū)動(dòng)器的電致驅(qū)動(dòng)響應(yīng)機(jī)理示意圖。 


圖3. (a) MX-PFS的宏觀圖; (b-c) MX-PFS截面的顯微圖; (d) PFS的SEM圖; (e-f) MX-PFS的SEM圖; (g) MX-PFS的元素掃描圖; (h-i) PFS和MX-PFS的XRD和FT-IR譜圖。 



圖4. (a-b) MX-PFS@PDMS壓縮-回彈過(guò)程圖; (c-d) MX-PFS@ PDMS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線; (e) 應(yīng)變?yōu)?/span>50%條件下，材料多次壓縮-回彈后高度變化圖; (f-g) MX-PFS@PDMS在不同壓應(yīng)變下的結(jié)構(gòu)變形情況。 



圖5. (a-b) MX-PFS@PDMS傳感器在不同壓縮應(yīng)變作用條件下RGB-LED燈亮度變化圖; (c-e) MX-PFS@PDMS傳感器的應(yīng)變-電阻變化率曲線、壓阻靈敏度曲線和響應(yīng)時(shí)間曲線; (f) 不同MXene油墨添加量的MX-PFS@PDMS傳感器應(yīng)變-電流變化率曲線; (g) 不同作用力條件下MX-PFS@PDMS傳感器的C-V曲線; (h-i) 50%壓縮應(yīng)變條件下，MX-PFS@PDMS傳感器在不同壓縮頻率和連續(xù)循環(huán)壓縮-回彈條件下的應(yīng)變-電流變化率曲線。 


圖6. MX-PFS@PDMS粘附在人體不同部位收集到的信號(hào)曲線，包含(a) 手指壓縮；(b) 手指彎曲；(c) 手腕彎曲；(d) 膝蓋彎曲；(e) 臉頰凸起；(f) 喉嚨發(fā)聲和(g) 肘部脈搏跳動(dòng)。


  相關(guān)工作近期以“Piezoresistive Sensor Containing Lamellar MXene-Plant Fiber Sponge Obtained with Aqueous MXene Ink”為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces 期刊上。論文第一作者為福建工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院陳汀杰副教授和研究生劉智勇。論文通訊作者為福建工程學(xué)院彭響方教授、陳汀杰副教授和南方科技大學(xué)常建副研究員。


  文獻(xiàn)鏈接：Piezoresistive Sensor Containing Lamellar MXene-Plant Fiber Sponge Obtained with Aqueous MXene Ink. ACS Applied Materials & Interfaces, 2022. DOI：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c15922

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