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    西安工業大學周宏偉教授課題組:中空微球復合凝膠柔性傳感器
    2020-07-28  來源:高分子科技

      柔性電子是將電子器件構筑在柔性基底上形成電路的技術,在傳感、顯示、儲能、醫療電子、機器人、人機交互等方面有重要應用前景。基于基底的柔性,電子器件可以實現傳統硅基電子所不能實現的功能,如彎曲、折疊、扭曲、壓縮、拉伸甚至變形成任意形狀而不影響電子器件本身的光電性能。“柔性基底+電子器件”的方式可以賦予電子器件一定的承受機械形變的能力,但是電子器件本身通常具有硬而剛的特點,并不能實現完全的柔性且其集成度也會受限。因此,從材料角度出發,發展高性能柔性電子材料是實現電子器件柔性化、智能化、高度集成化的基礎。


      近年來,周宏偉教授課題組圍繞導電凝膠材料網絡結構調控,性能改善及其在柔性電子器件中的應用開展了系列基礎研究。基于二元協同網絡結構,成功構筑出高拉伸和導電性的凝膠(ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10, 14045-14054;Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6, 9200-9207);通過在高分子交聯網絡中引入離子液體,構筑了超長拉伸且耐溫的離子液體凝膠(ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 26412-26420);基于全物理交聯作用,構筑了兼具可回收、發光和導電性的多功能凝膠(Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6, 13316-13324);通過引入功能性組分,構筑了具有自愈合、粘附性和導電性的凝膠(Colloids and Surfaces A, 2020, 592, 124587; Macromolecular Materials & Engineering, 2020, 305, 1900621; Macromolecular Materials & Engineering, 2020, 305, 2000080)。以導電凝膠為核心功能材料,構筑了應變傳感器、壓力傳感器和智能溫度警報裝置,探索了傳感器在人體運動監測中的應用。


      基于上述研究基礎,周宏偉教授課題組于近日報道了一種強度可控,具有應變敏感性、壓阻特性及可再加工性的中空導電高分子微球復合凝膠,探索了該凝膠在電阻式應變傳感器、電容式壓力傳感器、壓阻式應力傳感器及傳感陣列中的應用。該凝膠由聚乙烯醇(PVA)、中空聚苯胺微球(HPS)、植酸(PA)和水組成,很好的結合了PVA組分的柔性、中空微球的彈性以及摻雜聚苯胺的導電性。該凝膠通過澆筑成膜—干燥—再吸水的工藝制備,溶劑揮發過程誘導高分子鏈間以及高分子鏈和HPS間形成物理交聯作用,再吸水過程賦予復合薄膜良好的機械柔韌性。由于凝膠網絡中沒有引入化學交聯點,該凝膠可以實現很好的再加工性和重復利用性,其預凝膠溶液可以作為導電油墨實現各種圖案的加工。


      研究結果顯示,該復合凝膠可以實現高拉伸強度(9.3 MPa)、高伸長率(493%)和韌性(2.6 MJ/m3)。采用該凝膠構筑的電阻式應變傳感器在0%~300%應變范圍內靈敏度為2.9,在300%–450%應變范圍內靈敏度可達7.4。以該材料為電極,構筑的三明治式電容式壓力傳感器可以實現3.6 kPa?1的高靈敏度。此外,基于該凝膠材料的壓阻效應,成功構筑了壓阻式應力傳感器及其傳感陣列。這些凝膠基傳感器可以實現人體運動、生理活動以及生活中微小的彎曲/振動形變的監測。這一工作不僅有助于深入理解復合材料的增強、增韌機制,而且為柔性電子器件的構筑提供了一種具有潛在應用價值的候選材料。相關制備技術已申請國家發明專利。


    圖1. 中空微球復合凝膠制備過程示意圖。


    圖2. 中空微球復合凝膠電阻式應變傳感器用于形變監測。(a)指關節彎曲;(b)吞咽;(c)脈搏;(d)直尺彎曲;(e, f)敲擊引起的振動。


    圖3. 中空微球復合凝膠電容式壓力傳感器。(a)示意圖;(b)壓力響應;(c)手指按壓;(d)毛筆按壓。


    圖4. 中空微球復合凝膠壓阻式應力傳感器。(a)壓阻響應;(b)傳感陣列中壓力信號可視化;(c)3×3傳感陣列照片。


      相關研究工作以“Robust and sensitive pressure/strain sensors from solution processable composite hydrogels enhanced by hollow-structured conducting polymers”為題發表在Chemical Engineering Journal上。西安工業大學為該論文第一完成單位,西安工業大學周宏偉教授為第一作者兼通訊作者,陜西科技大學馬毅超副教授、哈佛大學張興才博士為該論文的共同通訊作者。


      此研究工作得到了國家自然科學基金(No. 51603164),陜西省自然科學基礎研究計劃面上項目(No. 2019JM-124),陜西省教育廳重點科學研究計劃項目(No. 20JS062)、陜西省青年人才托舉計劃項目(No. 20170706)和陜西省普通高校青年杰出人才計劃的支持。


      論文信息:Hongwei Zhou, Zhiwen Wang, Weifeng Zhao, Ximan Tong, Xilang Jin, Xingcai Zhang, You Yu, Hanbin Liu, Yichao Ma, Shushu Li, Weixing Chen, Robust and sensitive pressure/strain sensors from solution processable composite hydrogels enhanced by hollow-structured conducting polymers, Chemical Engineering Journal, 2021, 403, 126307.


      論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720324359

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