中北大学李洁教授-李迎春教授课题组 ACS AMI:引入PVDF-TrFE制备具有压电-压阻双模态传感特性的复合水凝胶
2022-10-08 来源:高分子科技
作为一种新型智能材料,导电水凝胶因其具有独特的压阻特性在可穿戴传感领域备受关注。近年来,制备可拉伸、高灵敏的导电水凝胶已成为该领域的研究热点。然而,导电水凝胶普遍存在对动态机械应变的传感响应慢、频响范围窄等问题,已经成为制约其在可穿戴传感应用领域发展的技术瓶颈。结合压电材料在动态感知方面的优势,采用压电和压阻功能集成的思路对水凝胶及其应变传感器件进行结构设计,为提高其智能可穿戴应变传感性能提供可能。
近期,中北大学材料科学与工程学院的李洁教授-李迎春教授课题组报道了一种采用一锅热成型法和溶剂交换法制备的具有压电-压阻双模态传感特性的复合水凝胶(图1)。该复合水凝胶以交联的生物质壳聚糖季铵盐为骨架,聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT: PSS)为导电填料,聚(偏氟乙烯-co-三氟乙烯)(PVDF-TrFE)为压电填料。制备的水凝胶基应变传感器灵敏度高(GF:19.24),线性度较好(0.94),响应快速(响应时间:63.2ms),频响范围较宽(响应频率:5-25Hz),同时具有良好的可拉伸性能(断裂伸长率:293%)和循环稳定性(图2)。
图1 复合水凝胶的制备示意图
图2 复合水凝胶的特性 (a)复合水凝胶的应力-应变曲线;(b)复合水凝胶电阻随应变变化曲线;(c)复合水凝胶与不添加压电相的水凝胶电压响应恢复曲线对比;(d)复合水凝胶响应频率测试曲线。
图3 复合水凝胶基可穿戴传感器检测人体运动和细微运动 (a)手肘弯曲不同角度下的电阻响应;(b)手腕弯曲不同角度下的电阻响应;(c)膝关节弯曲不同角度下的电阻响应;(d)手指在不同频率和应力下触球的电压输出(×10);(e)握紧动作的电阻和电压响应;(f)皱眉动作的电阻和电压响应。
图4 复合水凝胶基可穿戴传感器对物体轮廓的精准识别 (a)利用复合水凝胶的压阻性能获得的抓握不同物体的波形信号;(b)复合水凝胶压阻信号强度分布图;(c)利用复合水凝胶的压电性能获得的抓握不同物体的波形信号;(d)复合水凝胶压电信号强度分布图。
原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c13074
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(责任编辑:xu)
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