暨大刘明贤教授团队《ACS Sustain. Chem. Eng.》: 导电埃洛石涂覆海绵制备多功能传感器

2023-06-08 来源：高分子科技

柔性传感器是弹性可弯曲的设备，能够将环境刺激转化为信号输出。近年来，随着人工智能技术的飞速发展，柔性传感器已广泛应用于人类日常生活中，如健康监控、电子皮肤、运动监测等。柔性传感器因其可恢复性、重量轻、灵敏度高而备受青睐。然而，复杂而耗时的材料合成和制备过程限制了柔性传感器的广泛应用。因此，非常需要可持续和温和的技术来以及价廉便宜的材料来制造具有多种功能的柔性传感器。

近日，暨南大学化学与材料学院刘明贤教授团队提出利用表面涂敷技术将聚吡咯包裹埃洛石纳米复合材料（PPy@HNTs）组装到聚氨酯（PU）多孔海绵上，从而制备了海绵基多功能柔性传感器(图1)。该工作发表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering(中科院分区：一区，影响因子：9.224)，题目为”Robust Polypyrrole@Halloysite Nanotube-Coated Polyurethane Sponge as Multifunctional Flexible Sensors”。论文第一作者为2019级本科生刘邦汉，刘明贤教授为论文唯一通讯作者。

图1.柔性海绵传感器的制备以及应用领域。

通过各项测试研究了导电聚合物PPy对HNTs的改性作用，发现其能够均匀包裹在纳米管周围，PPy@HNTs具有较好的水分散性、导电性和光热性能。研究发现，PPy@HNTs通过浸泡涂覆组装到PU上后复合海绵的密度增加，导电性得到极大提高。此外，随着PPy@HNTs分散液浓度的增加，复合海绵的热性能逐渐得到改善。PU海绵性能的改善说明了PPy@HNTs与PU具有良好的界面相互作用。

图2. PPy@HNTs的结构表征测试。

柔性海绵传感器能够保持应变下信号响应的稳定性。在20%到80%的应变下柔性海绵传感器均能保证稳定的信号输出。柔性海绵传感器表现出响应时间和回复时间相同的特点，这表明该传感器具有快速响应能力和结构稳定性，可应用于实际应变检测。在5000次动态压缩-回复循环后，传感器仍能够稳定地输出电信号响应。

图3. 柔性海绵传感器的传感性能测试。

基于出色的界面相互作用和结构稳定性，柔性海绵传感器可以在不同领域中找到应用。如监测人体的日常生理运动(吞咽、点头、肩膀弯曲、肘部弯曲、行走和手腕等)，以及微小的人体运动如手指弯曲、手势识别和面部微表情变化(图4)。传感器还能测量其表面物品的质量从而作为分析天平的芯片(图5)。通过测试放置在柔性海绵传感器表面的砝码质量，同时记录下传感器的电阻变化能够得到质量、电阻变化关系曲线。以该曲线为基础即可测试出不同物品的质量，测量精度(跟真实值差别)最高可达0.5%。传感器还具有优异的光热性能(图6)。利用氙灯光源来模拟日光。传感器的表面温度与氙灯光源的功率和光照时间相关。柔性传感器的电阻也随着测试者对光照的控制实时变化。这是因为PPy的电导率与温度有关，当柔性海绵传感器的表面温度随着光照的控制而变化时，柔性海绵传感器的电阻也随之实时变化，因此该传感器可以用作光强检测设备。

图4. 柔性海绵传感器对不同人体生理运动的监测。

图5. 柔性海绵传感器用于质量监测。

图6. 柔性海绵传感器的光热性能。

总之，本工作采用表面涂敷技术成功地制备了具有不同功能的聚氨酯海绵柔性传感器。传感器卓越的稳定性使其能够用于检测不同的生理活动，包括大规模（膝盖和肩膀弯曲）和小规模（吞咽和面部表情）的运动。质量监测的应用使其能够应用于分析天平的芯片。此外，光热和阻燃性能使柔性海绵传感器能够执行特定的任务，如环境调查、防火材料等。本工作中制造的导电埃洛石涂覆的柔性海绵传感器具有合成迅速、制备路线绿色和稳定性高的优点，在柔性电子和智能产品中显示出很好的应用前景。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.2c07370

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（责任编辑：xu）

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