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中北大學(xué)李潔教授-李迎春教授課題組 ACS AMI：引入PVDF-TrFE制備具有壓電-壓阻雙模態(tài)傳感特性的復(fù)合水凝膠

2022-10-08 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：復(fù)合水凝膠壓電-壓阻雙模態(tài) 高靈敏度快速響應(yīng) 可穿戴傳感器

作為一種新型智能材料，導(dǎo)電水凝膠因其具有獨(dú)特的壓阻特性在可穿戴傳感領(lǐng)域備受關(guān)注。近年來，制備可拉伸、高靈敏的導(dǎo)電水凝膠已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，導(dǎo)電水凝膠普遍存在對動態(tài)機(jī)械應(yīng)變的傳感響應(yīng)慢、頻響范圍窄等問題，已經(jīng)成為制約其在可穿戴傳感應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展的技術(shù)瓶頸。結(jié)合壓電材料在動態(tài)感知方面的優(yōu)勢，采用壓電和壓阻功能集成的思路對水凝膠及其應(yīng)變傳感器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為提高其智能可穿戴應(yīng)變傳感性能提供可能。

近期，中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的李潔教授-李迎春教授課題組報(bào)道了一種采用一鍋熱成型法和溶劑交換法制備的具有壓電-壓阻雙模態(tài)傳感特性的復(fù)合水凝膠（圖1）。該復(fù)合水凝膠以交聯(lián)的生物質(zhì)殼聚糖季銨鹽為骨架，聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸鹽)（PEDOT: PSS）為導(dǎo)電填料，聚(偏氟乙烯-co-三氟乙烯)（PVDF-TrFE）為壓電填料。制備的水凝膠基應(yīng)變傳感器靈敏度高（GF：19.24），線性度較好（0.94），響應(yīng)快速（響應(yīng)時(shí)間：63.2ms），頻響范圍較寬（響應(yīng)頻率：5-25Hz），同時(shí)具有良好的可拉伸性能（斷裂伸長率：293%）和循環(huán)穩(wěn)定性（圖2）。

圖1 復(fù)合水凝膠的制備示意圖

圖2 復(fù)合水凝膠的特性 (a)復(fù)合水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b)復(fù)合水凝膠電阻隨應(yīng)變變化曲線；(c)復(fù)合水凝膠與不添加壓電相的水凝膠電壓響應(yīng)恢復(fù)曲線對比；(d)復(fù)合水凝膠響應(yīng)頻率測試曲線。

利用壓電-壓阻一體化構(gòu)建復(fù)合水凝膠的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)動、靜態(tài)應(yīng)變響應(yīng)，獲得靈敏且可靠的壓電信號以及壓阻信號輸出，有望解決多層復(fù)合結(jié)構(gòu)存在的制備工藝復(fù)雜、層間匹配性不佳等問題。采用復(fù)合水凝膠制備的可穿戴應(yīng)變傳感器展示了在人體運(yùn)動以及細(xì)微活動監(jiān)測方面的應(yīng)用潛力（圖3）。有趣的是，復(fù)合水凝膠附著在指尖和指背形成傳感單元，能精準(zhǔn)識別物體的輪廓（圖4）。復(fù)合水凝膠基陣列傳感器也能準(zhǔn)確識別不同的按壓位置，未來可進(jìn)一步應(yīng)用于便攜式柔性鍵盤或可穿戴柔性輸入設(shè)備（圖5）。

圖3 復(fù)合水凝膠基可穿戴傳感器檢測人體運(yùn)動和細(xì)微運(yùn)動 (a)手肘彎曲不同角度下的電阻響應(yīng)；(b)手腕彎曲不同角度下的電阻響應(yīng)；(c)膝關(guān)節(jié)彎曲不同角度下的電阻響應(yīng)；(d)手指在不同頻率和應(yīng)力下觸球的電壓輸出(×10)；(e)握緊動作的電阻和電壓響應(yīng)；(f)皺眉動作的電阻和電壓響應(yīng)。

圖4 復(fù)合水凝膠基可穿戴傳感器對物體輪廓的精準(zhǔn)識別 (a)利用復(fù)合水凝膠的壓阻性能獲得的抓握不同物體的波形信號；(b)復(fù)合水凝膠壓阻信號強(qiáng)度分布圖；(c)利用復(fù)合水凝膠的壓電性能獲得的抓握不同物體的波形信號；(d)復(fù)合水凝膠壓電信號強(qiáng)度分布圖。

圖5 復(fù)合水凝膠基可穿戴傳感器陣列用于數(shù)字識別 (a)復(fù)合水凝膠的DAQ數(shù)據(jù)采集實(shí)物照片；(b)復(fù)合水凝膠傳感器陣列照片；(c)通過按壓不同位置獲得的電壓信號曲線；(d)復(fù)合水凝膠壓電信號強(qiáng)度分布圖；(e)復(fù)合水凝膠基可穿戴傳感器陣列數(shù)據(jù)采集界面照片。

該研究工作的主要意義在于提供了一種用于可穿戴應(yīng)變傳感器的壓電-壓阻雙模態(tài)復(fù)合水凝膠的構(gòu)建方法。該復(fù)合水凝膠通過功能協(xié)同和優(yōu)勢互補(bǔ)，利用壓電與壓阻兩種效應(yīng)能夠?qū)ν粰C(jī)械應(yīng)變作出響應(yīng)，可以更加準(zhǔn)確測量機(jī)械應(yīng)變的作用過程。然而，從傳感器的應(yīng)用角度來看，能夠準(zhǔn)確進(jìn)行壓電與壓阻雙模態(tài)同時(shí)測量仍面臨挑戰(zhàn)，還需進(jìn)一步探明該復(fù)合水凝膠的壓電與壓阻響應(yīng)輸出規(guī)律，明確輸出響應(yīng)范圍，并設(shè)計(jì)可靠的后處理電路同步獲取壓電與壓阻輸出信號。相關(guān)工作以“Enhancing Strain-sensing Properties of the Conductive Hydrogel by Introducing PVDF-TrFE”為題，在美國化學(xué)會（ACS）期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》發(fā)表（DOI: 10.1021/acsami.2c13074）。文章的第一作者為中北大學(xué)2020級碩士生胡智銳，通訊作者為中北大學(xué)李潔教授。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、山西省回國留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)的支持。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c13074

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（責(zé)任編輯：xu）

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