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暨大劉明賢教授團(tuán)隊(duì)《ACS Sustain. Chem. Eng.》: 導(dǎo)電埃洛石涂覆海綿制備多功能傳感器
2023-06-08  來源：高分子科技

  柔性傳感器是彈性可彎曲的設(shè)備，能夠?qū)h(huán)境刺激轉(zhuǎn)化為信號輸出。近年來，隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，柔性傳感器已廣泛應(yīng)用于人類日常生活中，如健康監(jiān)控、電子皮膚、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測等。柔性傳感器因其可恢復(fù)性、重量輕、靈敏度高而備受青睞。然而，復(fù)雜而耗時(shí)的材料合成和制備過程限制了柔性傳感器的廣泛應(yīng)用。因此，非常需要可持續(xù)和溫和的技術(shù)來以及價(jià)廉便宜的材料來制造具有多種功能的柔性傳感器。


  近日，暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院劉明賢教授團(tuán)隊(duì)提出利用表面涂敷技術(shù)將聚吡咯包裹埃洛石納米復(fù)合材料（PPy@HNTs）組裝到聚氨酯（PU）多孔海綿上，從而制備了海綿基多功能柔性傳感器(圖1)。該工作發(fā)表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering(中科院分區(qū)：一區(qū)，影響因子：9.224)，題目為”Robust Polypyrrole@Halloysite Nanotube-Coated Polyurethane Sponge as Multifunctional Flexible Sensors”。論文第一作者為2019級本科生劉邦漢，劉明賢教授為論文唯一通訊作者。


 圖1.柔性海綿傳感器的制備以及應(yīng)用領(lǐng)域。


  通過各項(xiàng)測試研究了導(dǎo)電聚合物PPy對HNTs的改性作用，發(fā)現(xiàn)其能夠均勻包裹在納米管周圍，PPy@HNTs具有較好的水分散性、導(dǎo)電性和光熱性能。研究發(fā)現(xiàn)，PPy@HNTs通過浸泡涂覆組裝到PU上后復(fù)合海綿的密度增加，導(dǎo)電性得到極大提高。此外，隨著PPy@HNTs分散液濃度的增加，復(fù)合海綿的熱性能逐漸得到改善。PU海綿性能的改善說明了PPy@HNTs與PU具有良好的界面相互作用。 


圖2. PPy@HNTs的結(jié)構(gòu)表征測試。


  柔性海綿傳感器能夠保持應(yīng)變下信號響應(yīng)的穩(wěn)定性。在20%到80%的應(yīng)變下柔性海綿傳感器均能保證穩(wěn)定的信號輸出。柔性海綿傳感器表現(xiàn)出響應(yīng)時(shí)間和回復(fù)時(shí)間相同的特點(diǎn)，這表明該傳感器具有快速響應(yīng)能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)變檢測。在5000次動(dòng)態(tài)壓縮-回復(fù)循環(huán)后，傳感器仍能夠穩(wěn)定地輸出電信號響應(yīng)。 


圖3. 柔性海綿傳感器的傳感性能測試。


  基于出色的界面相互作用和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，柔性海綿傳感器可以在不同領(lǐng)域中找到應(yīng)用。如監(jiān)測人體的日常生理運(yùn)動(dòng)(吞咽、點(diǎn)頭、肩膀彎曲、肘部彎曲、行走和手腕等)，以及微小的人體運(yùn)動(dòng)如手指彎曲、手勢識別和面部微表情變化(圖4)。傳感器還能測量其表面物品的質(zhì)量從而作為分析天平的芯片(圖5)。通過測試放置在柔性海綿傳感器表面的砝碼質(zhì)量，同時(shí)記錄下傳感器的電阻變化能夠得到質(zhì)量、電阻變化關(guān)系曲線。以該曲線為基礎(chǔ)即可測試出不同物品的質(zhì)量，測量精度(跟真實(shí)值差別)最高可達(dá)0.5%。傳感器還具有優(yōu)異的光熱性能(圖6)。利用氙燈光源來模擬日光。傳感器的表面溫度與氙燈光源的功率和光照時(shí)間相關(guān)。柔性傳感器的電阻也隨著測試者對光照的控制實(shí)時(shí)變化。這是因?yàn)镻Py的電導(dǎo)率與溫度有關(guān)，當(dāng)柔性海綿傳感器的表面溫度隨著光照的控制而變化時(shí)，柔性海綿傳感器的電阻也隨之實(shí)時(shí)變化，因此該傳感器可以用作光強(qiáng)檢測設(shè)備。 


圖4. 柔性海綿傳感器對不同人體生理運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測。 


圖5.  柔性海綿傳感器用于質(zhì)量監(jiān)測。 


圖6.  柔性海綿傳感器的光熱性能。


  總之，本工作采用表面涂敷技術(shù)成功地制備了具有不同功能的聚氨酯海綿柔性傳感器。傳感器卓越的穩(wěn)定性使其能夠用于檢測不同的生理活動(dòng)，包括大規(guī)模（膝蓋和肩膀彎曲）和小規(guī)模（吞咽和面部表情）的運(yùn)動(dòng)。質(zhì)量監(jiān)測的應(yīng)用使其能夠應(yīng)用于分析天平的芯片。此外，光熱和阻燃性能使柔性海綿傳感器能夠執(zhí)行特定的任務(wù)，如環(huán)境調(diào)查、防火材料等。本工作中制造的導(dǎo)電埃洛石涂覆的柔性海綿傳感器具有合成迅速、制備路線綠色和穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，在柔性電子和智能產(chǎn)品中顯示出很好的應(yīng)用前景。


  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.2c07370

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