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空军军医大学牛丽娜/白永康、桂林理工李裕琪 CEJ :性能可调的多功能离子凝胶
2024-04-12  来源:高分子科技

  柔性器件因其在智能机器人、柔性传感器以及人机交互等领域的应用而得到更广泛的关注与发展。目前水凝胶、有机凝胶等凝胶类材料已被许多学者用于开发各种多功能柔性电子器件。然而,其中凝胶基应变传感器经常面临着整个应变范围内的高滞后、残余应变以及实时电阻偏离基线的挑战。导致这一挑战的一个重要因素是大多数凝胶基质与导电填料间的显著化学和物理性质差异,导致填料在凝胶基质中的分散性差。此外,各种复杂的应用环境也不满足于材料单一的应变传感功能,其更多的功能化发展能够进一步拓展其在实际领域中的应用前景,也是未来多功能柔性器件的发展方向。


  近期,空军军医大学牛丽娜教授/白永康副教授与桂林理工大学李裕琪教授合作,提出了一种由离子液体(IL)改性氧化锌掺杂的多功能离子凝胶复合材料(API)。当IL含量较高时,由所制离子凝胶构建的应变传感器具有优异的应力传感性能,可以用于设计各种电子器件,包括智能开关、信号传输和人机交互系统。当IL含量较低时,离子凝胶表现出了优异的形状记忆性能,为离子凝胶基传感器赋予了热响应性,可用于构建温度报警器装置。此外,该离子凝胶可作为电极材料用于构建摩擦纳米发电机(TENG),实现在能量收集、压力传感和人体运动检测的应用。这项研究表明了该离子凝胶在柔性传感、人机交互、虚拟/增强现实等领域显示了巨大的应用潜力。相关工作以“Versatile ionogels with tailoring performance for strain sensors, temperature alarm and self-powered wearable devices”为题在《Chemical Engineering Journal》期刊发表。该工作得了到国家自然科学基金和广西省自然科学基金等项目的资助。 


1 API复合材料的制备工艺示意图


  本研究以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPSA)和聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)为主要原料,通过自由基聚合制备了一系列的离子凝胶。在聚合物交联网络中,以PAMPSA充当主链,PEGDA充当交联剂,确保了聚合物段的高弹性和稳定性。同时该聚合物网络与IMZnO填料相结合,形成了双网络结构,增强了离子凝胶的导电性和传感性能。 


2 API50作为应变传感器的应用


  通过监测不同应变下实时电阻变化(ΔR/R0),研究了具有理想拉伸性和导电性的API50作为应变传感器的可行性。将传感器集成到由Arduino微控制器和模数转换器(ADC)组成的电路系统中,API50传感器捕获由应变引起的电阻变化,并将其转换为模拟电压值的变化,实现了受应变变化控制的各种应用,展示了API50传感器在人机交互的应用。 


3 API10作为温度报警器的应用


  当IL含量低于20%时,离子凝胶表现出优异的形状记忆特性。利用这种形状记忆特性,API10可被用于制作温度报警器。与图2中的电路系统类似,API10传感器连接到了集成电路,额外添加了蓝牙模块用于无线信号传输,并将一定电阻变化值设定为报警阈值。一旦电阻变化达到阈值,红色LED将亮起并发送警告消息到手机。基于API10离子凝胶的温度报警功能,它可以用于实时监测管道温度。 


4 API50作为自供电可穿戴传感器


  除了基于应变电阻效应的应变传感器和温度报警装置,离子凝胶可用于构建摩擦纳米发电机(TENG),实现在自供电传感器中的应用。该研究通过将离子凝胶封装到硅胶中,组装了一种单电极模式TENGAPI-TENG)。当将传感器附着在手指、手腕、肘部和膝盖等不同的关节部位时,可以捕捉人体运动信号。除了关节运动外,API-TENG传感器还可用于通过将其安装在鞋垫上来监测步态运动。


  原文链接:https://authors.elsevier.com/a/1itD14x7R2kBbo


  下载:Versatile ionogels with tailoring performance for strain sensors, temperature alarm and self-powered wearable devices

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(责任编辑:xu)
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