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福建工程學院陳汀杰課題組《ACS AMI》：水性MXene油墨實現高彈導電植物纖維海綿壓阻傳感器的制備

2022-11-10 來源：高分子科技

隨著可穿戴電子產品需求的增加，可用于實時監測和收集人體體征信號的柔性壓阻傳感器（PRS）受到了廣泛的關注。相比于二維平面結構，具有壓縮回彈特性的導電多孔材料更適合用于PRS的組裝，它可以大幅度改善柔性PRS器件的壓阻靈敏度、檢測限和響應時間。利用水熱處理和高溫碳化等技術，將天然多孔的生物質材料制備成具有壓縮回彈和導電特性的三維多孔材料，是當前PRS研究領域里一種可行的方法。但是，由于高溫碳化過程中，生物質材料容易發生結構變形，材料脆性大，致使制備得到的多孔材料力學性能較差，無法滿足高靈敏度和低檢測限PRS傳感器的組裝。

福建工程學院陳汀杰副教授課題組與南方科技大學常建副研究員在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上發表了一篇題為“Piezoresistive Sensor Containing Lamellar MXene-Plant Fiber Sponge Obtained with Aqueous MXene Ink”的文章。文章提出一種以植物纖維為原料，MXene納米片為改性物質，經過液體機械發泡和有機包埋的方法，制備具有高壓縮回彈和導電特性的多孔MXene改性植物纖維海綿（MX-PFS），并將其應用于PRS器件的組裝及測試。該制備工藝簡單，不需經過高溫碳化，可制備大尺寸樣品。為實現材料的導電改性，文章以MXene納米片、聚醋酸乙烯酯和炭黑為原料，通過物理球磨的方法，制備水性的導電MXene油墨。該油墨可以直接被刷涂或噴涂到纖維素紙上，制備出多響應（光驅動、電驅動和濕度驅動）雙向彎曲驅動器。由于水性MXene油墨中含有聚醋酸乙烯酯，可作為一種粘結劑使用，將其添加到植物纖維發泡材料的制備流程中，通過物理機械攪拌發泡的方法，可制備出由一維包裹MXene涂層的植物纖維和二維MXene納米片構成的層狀多孔導電MX-PFS海綿。然后，通過聚二甲基硅氧烷（PDMS）的浸涂處理，可以制備出具有優異壓縮回彈性的導電MX-PFS海綿（MX-PFS@PDMS）。MX-PFS@PDMS的壓縮應變高達60%，且具有良好的機械循環穩定性（10000壓縮-回彈循環不變形）。將MX-PFS@PDMS組裝成PRS器件，展現出較高的壓阻靈敏度（435.06 kPa^?1），低的檢測限（20 Pa）和快速的響應時間（40 ms）。此外，將MX-PFS@PDMS傳感器粘附在人體的不同部位（如手指、手腕、膝蓋、面部等），可以實現對人體不同部位運動情況的實時監測，準確收集各種運動產生的電信號，展現了該材料在可穿戴電子設備的應用潛能，同時也為植物纖維材料在可穿戴柔性傳感領域的應用提供新思路。

圖1.（a）MXene油墨和（b）MX-PFS的制備流程和界面相互作用示意圖。

圖2. (a-b) 剝離后MXene納米片的TEM和AFM圖; (c-d) 水性MXene油墨用于絲網印刷; (e) Paper和Paper@MXene的I?V曲線; (f) Paper@MXene在不同電壓作用10 s下表面溫度分布圖; (g) BOPP/MXene/Paper驅動器的制備示意圖; (h-i) BOPP/MXene/Paper驅動器在不同電壓作用10 s后彎曲變化的光學圖; (j) 驅動器的電致驅動響應機理示意圖。

圖3. (a) MX-PFS的宏觀圖; (b-c) MX-PFS截面的顯微圖; (d) PFS的SEM圖; (e-f) MX-PFS的SEM圖; (g) MX-PFS的元素掃描圖; (h-i) PFS和MX-PFS的XRD和FT-IR譜圖。

圖4. (a-b) MX-PFS@PDMS壓縮-回彈過程圖; (c-d) MX-PFS@ PDMS的應力-應變曲線; (e) 應變為50%條件下，材料多次壓縮-回彈后高度變化圖; (f-g) MX-PFS@PDMS在不同壓應變下的結構變形情況。

圖5. (a-b) MX-PFS@PDMS傳感器在不同壓縮應變作用條件下RGB-LED燈亮度變化圖; (c-e) MX-PFS@PDMS傳感器的應變-電阻變化率曲線、壓阻靈敏度曲線和響應時間曲線; (f) 不同MXene油墨添加量的MX-PFS@PDMS傳感器應變-電流變化率曲線; (g) 不同作用力條件下MX-PFS@PDMS傳感器的C-V曲線; (h-i) 50%壓縮應變條件下，MX-PFS@PDMS傳感器在不同壓縮頻率和連續循環壓縮-回彈條件下的應變-電流變化率曲線。

圖6. MX-PFS@PDMS粘附在人體不同部位收集到的信號曲線，包含(a) 手指壓縮；(b) 手指彎曲；(c) 手腕彎曲；(d) 膝蓋彎曲；(e) 臉頰凸起；(f) 喉嚨發聲和(g) 肘部脈搏跳動。

相關工作近期以“Piezoresistive Sensor Containing Lamellar MXene-Plant Fiber Sponge Obtained with Aqueous MXene Ink”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces 期刊上。論文第一作者為福建工程學院材料科學與工程學院陳汀杰副教授和研究生劉智勇。論文通訊作者為福建工程學院彭響方教授、陳汀杰副教授和南方科技大學常建副研究員。

文獻鏈接：Piezoresistive Sensor Containing Lamellar MXene-Plant Fiber Sponge Obtained with Aqueous MXene Ink. ACS Applied Materials & Interfaces, 2022. DOI：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c15922

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（責任編輯：xu）

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