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暨大劉明賢教授團隊《ACS Sustain. Chem. Eng.》: 導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備，能夠將環境刺激轉化為信號輸出。近年來，隨著人工智能技術的飛速發展，柔性傳感器已廣泛應用于人類日常生活中，如健康監控、電子皮膚、運動監測等。柔性傳感器因其可恢復性、重量輕、靈敏度高而備受青睞。然而，復雜而耗時的材料合成和制備過程限制了柔性傳感器的廣泛應用。因此，非常需要可持續和溫和的技術來以及價廉便宜的材料來制造具有多種功能的柔性傳感器。

近日，暨南大學化學與材料學院劉明賢教授團隊提出利用表面涂敷技術將聚吡咯包裹埃洛石納米復合材料（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)。該工作發表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering(中科院分區：一區，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用領域。

通過各項測試研究了導電聚合物PPy對HNTs的改性作用，發現其能夠均勻包裹在納米管周圍，PPy@HNTs具有較好的水分散性、導電性和光熱性能。研究發現，PPy@HNTs通過浸泡涂覆組裝到PU上后復合海綿的密度增加，導電性得到極大提高。此外，隨著PPy@HNTs分散液濃度的增加，復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的結構表征測試。

柔性海綿傳感器能夠保持應變下信號響應的穩定性。在20%到80%的應變下柔性海綿傳感器均能保證穩定的信號輸出。柔性海綿傳感器表現出響應時間和回復時間相同的特點，這表明該傳感器具有快速響應能力和結構穩定性，可應用于實際應變檢測。在5000次動態壓縮-回復循環后，傳感器仍能夠穩定地輸出電信號響應。

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構穩定性，柔性海綿傳感器可以在不同領域中找到應用。如監測人體的日常生理運動(吞咽、點頭、肩膀彎曲、肘部彎曲、行走和手腕等)，以及微小的人體運動如手指彎曲、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量，同時記錄下傳感器的電阻變化能夠得到質量、電阻變化關系曲線。以該曲線為基礎即可測試出不同物品的質量，測量精度(跟真實值差別)最高可達0.5%。傳感器還具有優異的光熱性能(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間相關。柔性傳感器的電阻也隨著測試者對光照的控制實時變化。這是因為PPy的電導率與溫度有關，當柔性海綿傳感器的表面溫度隨著光照的控制而變化時，柔性海綿傳感器的電阻也隨之實時變化，因此該傳感器可以用作光強檢測設備。

圖4. 柔性海綿傳感器對不同人體生理運動的監測。

圖5. 柔性海綿傳感器用于質量監測。

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。傳感器卓越的穩定性使其能夠用于檢測不同的生理活動，包括大規模（膝蓋和肩膀彎曲）和小規模（吞咽和面部表情）的運動。質量監測的應用使其能夠應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行特定的任務，如環境調查、防火材料等。本工作中制造的導電埃洛石涂覆的柔性海綿傳感器具有合成迅速、制備路線綠色和穩定性高的優點，在柔性電子和智能產品中顯示出很好的應用前景。

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

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（責任編輯：xu）

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