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四川大學(xué)雷景新教授、江亮副研究員《Adv. Sci.》：醇溶聚氨酯構(gòu)建可打印、可回收、超快速響應(yīng)的電容傳感器
2024-10-19  來源：高分子科技

  柔性電子器件是下一代智能的、主動(dòng)的人機(jī)交互設(shè)備系統(tǒng)的重要組成單元，它可以將外界信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)而直觀的顯示出來。高分子材料，具有力學(xué)性能大范圍可調(diào)節(jié)、易賦予功能和生產(chǎn)耗能低等優(yōu)勢(shì)，能夠輕松地整合柔性和導(dǎo)電性。這一優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)剛性傳感系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的，因此其成為了柔性電子器件的重要組成部分。但是，柔性電子設(shè)備壽命較短，如何解決產(chǎn)生的大量電子垃圾（e-waste）是亟待解決的問題。


  近期，四川大學(xué)高分子研究所、高分子材料工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（四川大學(xué)）的雷景新教授團(tuán)隊(duì)研制出了一種室溫可醇類溶劑回收的聚氨酯彈性體（SPPUs），其強(qiáng)度和韌性高可達(dá)約60 MPa和360 MJ m?3，還可以在室溫下以乙醇為綠色溶劑完全回收（如圖1a所示）。另外，通過將乙醇溶解的SPPUs溶液與鎳（Ni）粉末混合制成SPPU-Ni復(fù)合材料，能有效地將SPPUs的柔韌性和可回收性與Ni粉填料的導(dǎo)電性相結(jié)合，構(gòu)建出可打印、可回收、超快速響應(yīng)的電容傳感器（如圖1d所示）。


圖 1. (a) SPPUs 的合成及其氫鍵相互作用的示意圖。(b) 高透光性薄膜圖片。(c) 受阻氫鍵相互作用示意圖。(d) 電容式傳感器回收過程示意圖。


  值得注意的是，這項(xiàng)工作通過使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)將SPPUs-Ni漿料的漿料轉(zhuǎn)錄到PET薄膜和紙張上，開發(fā)了可印刷的電容式傳感器（PCB），利用不同物體介電常數(shù)的差異以及與PCB接觸面積的變化，傳感器還可以根據(jù)不同物體產(chǎn)生的不同信號(hào)實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別。所設(shè)計(jì)的PCB具有快速響應(yīng)時(shí)間≈50 ms，具備高分辨率和多信號(hào)識(shí)別能力（如圖2所示）。


圖 2. (a) 電容式傳感器的傳感原理示意圖。(b) PCBS 在觸摸時(shí)的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。(c) 電容響應(yīng)與手指數(shù)量的函數(shù)關(guān)系。(d) 電容響應(yīng)與觸摸頻率的關(guān)系。(e) 代表每個(gè)字母的摩爾斯電碼表。(f) 介紹將觸摸信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(“S”、“C”和“U”) 的 PCBS。(g) PCBS 在空氣中的儲(chǔ)存穩(wěn)定性（48 h）和耐水性（浸入水中5 min）。(h) 電容響應(yīng)與水滴數(shù)的函數(shù)關(guān)系。


  此外，值得注意的是，SPPUs和Ni粉末只需將廢棄的SPPU-Ni復(fù)合材料溶解在乙醇中即可完全回收，回收后制得的電容式傳感器PCB的傳感性能與回收前保持一致。此外，還可以回收SPPUs基材和導(dǎo)電Ni粉填料，這項(xiàng)工作為可回收柔性電子產(chǎn)品中日益嚴(yán)重的電子垃圾問題提供了一個(gè)可持續(xù)的解決方案（如圖3所示）。


圖 3. (a) 電容基傳感器回收示意圖。(b) 乙醇溶劑中的回收（左）和在水中的穩(wěn)定性（右）。(c) 回收前后 PCBS 傳感性能的比較。(d) Ni 粉末回收前后的 SEM 圖像。


  研究成果以“Hindered Hydrogen Bonding-Based Enabling of High-Strength, Alcohol-Soluble SPPUs for Printable, Recyclable, Ultra-Fast Response Capacitive Sensors”為題發(fā)表在《Advanced Science》（doi.org/10.1002/advs.202405941）上。論文第一作者為四川大學(xué)碩士研究生陳興寶，通訊作者為四川大學(xué)雷景新教授和江亮副研究員。本工作得到了中國博士后面上基金（2022M722238）、四川省青年科學(xué)基金（2023NSFSC0984）、四川大學(xué)博士后基金（2023SCU12026）和四川省先進(jìn)建筑材料產(chǎn)教融合創(chuàng)新示范平臺(tái)等項(xiàng)目的資助支持。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202405941

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（責(zé)任編輯：xu）
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