福建工程学院陈汀杰课题组《ACS AMI》：水性MXene油墨实现高弹导电植物纤维海绵压阻传感器的制备

2022-11-10 来源：高分子科技

随着可穿戴电子产品需求的增加，可用于实时监测和收集人体体征信号的柔性压阻传感器（PRS）受到了广泛的关注。相比于二维平面结构，具有压缩回弹特性的导电多孔材料更适合用于PRS的组装，它可以大幅度改善柔性PRS器件的压阻灵敏度、检测限和响应时间。利用水热处理和高温碳化等技术，将天然多孔的生物质材料制备成具有压缩回弹和导电特性的三维多孔材料，是当前PRS研究领域里一种可行的方法。但是，由于高温碳化过程中，生物质材料容易发生结构变形，材料脆性大，致使制备得到的多孔材料力学性能较差，无法满足高灵敏度和低检测限PRS传感器的组装。

福建工程学院陈汀杰副教授课题组与南方科技大学常建副研究员在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表了一篇题为“Piezoresistive Sensor Containing Lamellar MXene-Plant Fiber Sponge Obtained with Aqueous MXene Ink”的文章。文章提出一种以植物纤维为原料，MXene纳米片为改性物质，经过液体机械发泡和有机包埋的方法，制备具有高压缩回弹和导电特性的多孔MXene改性植物纤维海绵（MX-PFS），并将其应用于PRS器件的组装及测试。该制备工艺简单，不需经过高温碳化，可制备大尺寸样品。为实现材料的导电改性，文章以MXene纳米片、聚醋酸乙烯酯和炭黑为原料，通过物理球磨的方法，制备水性的导电MXene油墨。该油墨可以直接被刷涂或喷涂到纤维素纸上，制备出多响应（光驱动、电驱动和湿度驱动）双向弯曲驱动器。由于水性MXene油墨中含有聚醋酸乙烯酯，可作为一种粘结剂使用，将其添加到植物纤维发泡材料的制备流程中，通过物理机械搅拌发泡的方法，可制备出由一维包裹MXene涂层的植物纤维和二维MXene纳米片构成的层状多孔导电MX-PFS海绵。然后，通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）的浸涂处理，可以制备出具有优异压缩回弹性的导电MX-PFS海绵（MX-PFS@PDMS）。MX-PFS@PDMS的压缩应变高达60%，且具有良好的机械循环稳定性（10000压缩-回弹循环不变形）。将MX-PFS@PDMS组装成PRS器件，展现出较高的压阻灵敏度（435.06 kPa^?1），低的检测限（20 Pa）和快速的响应时间（40 ms）。此外，将MX-PFS@PDMS传感器粘附在人体的不同部位（如手指、手腕、膝盖、面部等），可以实现对人体不同部位运动情况的实时监测，准确收集各种运动产生的电信号，展现了该材料在可穿戴电子设备的应用潜能，同时也为植物纤维材料在可穿戴柔性传感领域的应用提供新思路。

图1.（a）MXene油墨和（b）MX-PFS的制备流程和界面相互作用示意图。

图2. (a-b) 剥离后MXene纳米片的TEM和AFM图; (c-d) 水性MXene油墨用于丝网印刷; (e) Paper和Paper@MXene的I?V曲线; (f) Paper@MXene在不同电压作用10 s下表面温度分布图; (g) BOPP/MXene/Paper驱动器的制备示意图; (h-i) BOPP/MXene/Paper驱动器在不同电压作用10 s后弯曲变化的光学图; (j) 驱动器的电致驱动响应机理示意图。

图3. (a) MX-PFS的宏观图; (b-c) MX-PFS截面的显微图; (d) PFS的SEM图; (e-f) MX-PFS的SEM图; (g) MX-PFS的元素扫描图; (h-i) PFS和MX-PFS的XRD和FT-IR谱图。

图4. (a-b) MX-PFS@PDMS压缩-回弹过程图; (c-d) MX-PFS@ PDMS的应力-应变曲线; (e) 应变为50%条件下，材料多次压缩-回弹后高度变化图; (f-g) MX-PFS@PDMS在不同压应变下的结构变形情况。

图5. (a-b) MX-PFS@PDMS传感器在不同压缩应变作用条件下RGB-LED灯亮度变化图; (c-e) MX-PFS@PDMS传感器的应变-电阻变化率曲线、压阻灵敏度曲线和响应时间曲线; (f) 不同MXene油墨添加量的MX-PFS@PDMS传感器应变-电流变化率曲线; (g) 不同作用力条件下MX-PFS@PDMS传感器的C-V曲线; (h-i) 50%压缩应变条件下，MX-PFS@PDMS传感器在不同压缩频率和连续循环压缩-回弹条件下的应变-电流变化率曲线。

图6. MX-PFS@PDMS粘附在人体不同部位收集到的信号曲线，包含(a) 手指压缩；(b) 手指弯曲；(c) 手腕弯曲；(d) 膝盖弯曲；(e) 脸颊凸起；(f) 喉咙发声和(g) 肘部脉搏跳动。

相关工作近期以“Piezoresistive Sensor Containing Lamellar MXene-Plant Fiber Sponge Obtained with Aqueous MXene Ink”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces 期刊上。论文第一作者为福建工程学院材料科学与工程学院陈汀杰副教授和研究生刘智勇。论文通讯作者为福建工程学院彭响方教授、陈汀杰副教授和南方科技大学常建副研究员。

文献链接：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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（责任编辑：xu）

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