桂林理工大学陆绍荣教授和湖南大学蔡仁教授课题组《Small》：用于火焰和湿度高灵敏度检测的双功能传感器

2022-09-01 来源：高分子科技

近日，桂林理工大学陆绍荣教授课题组和湖南大学蔡仁教授课题组合作报道了一种多功能传感器，相关成果以“A Dual-Function Sensor for Highly Sensitive Detection of Flame and Humidity”为题发表在国际化学权威杂志Small上。论文的第一作者为桂林理工大学与湖南大学材料科学与工程学院联合培养的博士生张作才，通讯作者为蔡仁教授，共同通讯作者为桂林理工大学陆绍荣教授。此研究得到国家自然科学基金（51763009, 51605109, 22004032）、广西科技重大专项（AA18242010 和 AA18242008）等项目资助。

随着5G时代的到来，智能柔性传感器作为一种关键的智能柔性电子产品，引起了人们的广泛关注。通过将湿度和温度等变化转化为可读的电信号，这些传感器已被广泛应用于环境监测、智能穿戴设备、火灾报警设备、个性化健康监测和智能电子皮肤等领域。然而，大多数智能传感器在特殊应用中功能单一或缺乏环境稳定性。因此，开发一种绿色、环保、高效的多功能传感器并将其集成在一个智能系统中监测火灾隐患和湿度是非常必要的。

图1 MSCG膜的制备：（a）剑麻纤维；（b）接枝剑麻纳米纤维（MgC）；（c）MgC透射电镜图像；（d）蚕茧；（e）蚕丝纳米纤维（SNF）；（f） SNF的SEM图像；（g）剑麻纤维结构示意图；（h）蚕丝纤维结构示意图；（i）MSG膜的制备工艺；（j） MSCG膜的制备工艺；（k）MSCG膜

针对提高器件多功能应用需求，赋予传感器湿度敏感性、火焰报警性和耐久性，陆绍荣教授团队从分子结构设计出发，引入-COOH基团提高剑麻纳米纤维素的成膜性，同时引入蚕丝纳米纤维和石墨烯，利用蚕丝纳米纤维分子上的-NH₂基团与剑麻纳米纤维素分子上的-COOH基团反应结合以及石墨烯的协同作用提高火焰报警传感性能。并采用柠檬酸（CA）进行交联提高力学强度，MSCG膜在100℃的水中浸泡后表现出良好的湿强度（128.8 MPa）和快速的湿度响应时间（0.9 s），同时火焰报警系统的响应/恢复时间为1.2 s/2.4 s。并且MSCG膜在重复干燥-喷水-干燥的过程和重复火焰-空气-火焰的过程中表现出良好的湿度和火焰传感性能且电信号输出性能均非常稳定。通过该方法制备了一种具有快速湿度响应、火灾报警响应、温度响应和良好湿强度和耐久性的可持续生物膜（MSCG），可作为湿度和火焰双功能传感器用生物降解膜材料。

图2（a）基于MSCG薄膜的循环湿度传感器器件示意图；（b-c）固定喷水次数时的时间与电流的关系曲线；（d） MSCG膜在25 ℃和100 ℃时的吸水性能；（e）MSCG膜的载重照片；（f）MSCG膜的拉伸应力-应变曲线；（g）基于MSCG膜的循环火灾报警传感器装置示意图；（h-i）MSCG膜暴露在火焰源下的循环电流响应曲线

图3 MSCG膜湿度传感器监测的四种呼吸模式下的实时电流变化：（a-b）正常呼吸；（c）缓慢呼吸；（d-e）快速呼吸；（f）不规则的呼吸

此外，以前期研究成果为基础，利用MSCG膜中的CA可以产生额外的离子，能显著降低MSCG膜在高相对湿度（RH）条件下电阻的特性。通过成人在不同状态下的呼吸实验，在模拟快速呼吸的实验中，所设计的多功能传感器的响应/恢复时间非常快速，达到了0.38 s/0.75 s（52?100% RH）。因此，可以将MSCG膜组装成一种多功能智能传感器系统，并通过智能设备实时监测。该工作为多功能传感器在火灾事故监测、环境湿度、个人健康监测和呼吸诊断分析方面的研究提供了新的思路。

图4用于智能火灾报警、高温预警和水响应系统的多功能传感器示意图

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202203334

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（责任编辑：xu）

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