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    高拉伸性纖維素基復合導電水凝膠應用于多項傳感性能及納米摩擦發電機
    2020-07-09  來源:高分子科技

      柔性電子器件受到的關注日漸增長,并廣泛應用于傳感器、軟體機器人、觸摸屏、仿生皮膚以及能量采集器等諸多領域。近幾十年來,研究者們通過將柔性基底材料與導電介質相結合,成功制備出一系列具有代表性的柔性電子器件。除了柔性和可拉伸性的基本要求,人們還在實際應用中對柔性電子器件提出了諸如抗膨脹性、透明性和耐久性等要求。然而,要在保證功能性的前提下兼顧上述性能并非易事。導電水凝膠作為一種新型的柔性材料,由于其出色的柔性、良好的導電性以及可調的力學性能而成為世界性的熱門材料。再生能源和環境友好材料是21世紀科技發展的主題,纖維素作為含量最為豐富的天然高分子,被視為傳統石油基材料的潛在替代資源,并被廣泛用于各類領域。然而,由于纖維素分子鏈間的強相互作用和固有的鏈剛性,應用于柔性電子器件的高彈性纖維素水凝膠很少見諸報道。


      在先前的研究基礎上,武漢大學天然高分子實驗室呂昂副教授團隊通過將具有柔順鏈的聚乙烯醇(PVA)引入纖維素導電水凝膠中,在提高纖維素導電水凝膠拉伸性(斷裂伸長率達747 %)的同時,保持了水凝膠的離子導電性和高透明性(550 nm光波透過率超過80 %)



    圖1. (a)纖維素/PVA復合導電水凝膠的高透明性和(b)高拉伸性。


      經過簡單的組裝,分別由纖維素/PVA復合導電水凝膠(CPH)制備得到溫敏、壓敏和拉伸傳感器。CPH溫敏傳感器的電阻溫度系數為-0.03 ℃?1,其在0~64.0 ℃的溫度范圍內顯示出了快速、可靠和可逆的電阻響應,并且無滯后現象。CPH壓敏傳感器的相對電容也隨著壓力的增減而同步變化到響應水平,且無任何滯后或衰減。CPH拉伸傳感器的相對電阻隨拉伸應變呈線性變化,應變靈敏度系數為1.04;在500 %的拉伸應變范圍內表現出高度可靠性和電阻變化的可逆性;在檢測不同關節屈伸時能同步示出相應的幅度變化并在動作結束后回到初始值,且無噪音信號、滯后現象或永久形變。


    圖2. 基于CPH的溫敏、壓敏和拉伸傳感器性能。


      此外,通過CPH組裝得到的柔性納米摩擦發電機(CPH-TENG)作為能量采集器件,可在不同的拉伸條件下和較寬溫度范圍內使用,并體現出易存儲性和耐用性。CPH-TENG還可用作觸覺傳感器,其最低檢出限不高于0.0147 kPa。本章工作拓展了纖維素基材料在柔性可穿戴電子器件領域的應用。


    圖3. (a)CPH-TENG工作時可令LED小燈泡閃亮,(b)CPH-TENG的輸出信號對觸碰壓力具有敏感性,可用作微小壓力探測器,(c和d)CPH-TENG在原長及不同拉伸倍率下的開路電壓及回復性。


      以上相關成果由在Journal of Materials Chemistry A接收(DOI: 10.1039/d0ta02010a)。論文的第一作者為武漢大學化學與分子科學學院博士生王洋,通訊作者為呂昂副教授


      論文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta02010a#!divAbstract

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