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西安工业大学周宏伟教授课题组:中空微球复合凝胶柔性传感器
2020-07-28  来源:高分子科技

  柔性电子是将电子器件构筑在柔性基底上形成电路的技术,在传感、显示、储能、医疗电子、机器人、人机交互等方面有重要应用前景。基于基底的柔性,电子器件可以实现传统硅基电子所不能实现的功能,如弯曲、折叠、扭曲、压缩、拉伸甚至变形成任意形状而不影响电子器件本身的光电性能。“柔性基底+电子器件”的方式可以赋予电子器件一定的承受机械形变的能力,但是电子器件本身通常具有硬而刚的特点,并不能实现完全的柔性且其集成度也会受限。因此,从材料角度出发,发展高性能柔性电子材料是实现电子器件柔性化、智能化、高度集成化的基础。


  近年来,周宏伟教授课题组围绕导电凝胶材料网络结构调控,性能改善及其在柔性电子器件中的应用开展了系列基础研究。基于二元协同网络结构,成功构筑出高拉伸和导电性的凝胶(ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10, 14045-14054;Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6, 9200-9207);通过在高分子交联网络中引入离子液体,构筑了超长拉伸且耐温的离子液体凝胶(ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 26412-26420);基于全物理交联作用,构筑了兼具可回收、发光和导电性的多功能凝胶(Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6, 13316-13324);通过引入功能性组分,构筑了具有自愈合、粘附性和导电性的凝胶(Colloids and Surfaces A, 2020, 592, 124587; Macromolecular Materials & Engineering, 2020, 305, 1900621; Macromolecular Materials & Engineering, 2020, 305, 2000080)。以导电凝胶为核心功能材料,构筑了应变传感器、压力传感器和智能温度警报装置,探索了传感器在人体运动监测中的应用。


  基于上述研究基础,周宏伟教授课题组于近日报道了一种强度可控,具有应变敏感性、压阻特性及可再加工性的中空导电高分子微球复合凝胶,探索了该凝胶在电阻式应变传感器、电容式压力传感器、压阻式应力传感器及传感阵列中的应用。该凝胶由聚乙烯醇(PVA)、中空聚苯胺微球(HPS)、植酸(PA)和水组成,很好的结合了PVA组分的柔性、中空微球的弹性以及掺杂聚苯胺的导电性。该凝胶通过浇筑成膜—干燥—再吸水的工艺制备,溶剂挥发过程诱导高分子链间以及高分子链和HPS间形成物理交联作用,再吸水过程赋予复合薄膜良好的机械柔韧性。由于凝胶网络中没有引入化学交联点,该凝胶可以实现很好的再加工性和重复利用性,其预凝胶溶液可以作为导电油墨实现各种图案的加工。


  研究结果显示,该复合凝胶可以实现高拉伸强度(9.3 MPa)、高伸长率(493%)和韧性(2.6 MJ/m3)。采用该凝胶构筑的电阻式应变传感器在0%~300%应变范围内灵敏度为2。9,在300%–450%应变范围内灵敏度可达7。4。以该材料为电极,构筑的三明治式电容式压力传感器可以实现3。6 kPa?1的高灵敏度。此外,基于该凝胶材料的压阻效应,成功构筑了压阻式应力传感器及其传感阵列。这些凝胶基传感器可以实现人体运动、生理活动以及生活中微小的弯曲/振动形变的监测。这一工作不仅有助于深入理解复合材料的增强、增韧机制,而且为柔性电子器件的构筑提供了一种具有潜在应用价值的候选材料。相关制备技术已申请国家发明专利。


图1. 中空微球复合凝胶制备过程示意图。


图2. 中空微球复合凝胶电阻式应变传感器用于形变监测。(a)指关节弯曲;(b)吞咽;(c)脉搏;(d)直尺弯曲;(e, f)敲击引起的振动。


图3. 中空微球复合凝胶电容式压力传感器。(a)示意图;(b)压力响应;(c)手指按压;(d)毛笔按压。


图4. 中空微球复合凝胶压阻式应力传感器。(a)压阻响应;(b)传感阵列中压力信号可视化;(c)3×3传感阵列照片。


  相关研究工作以“Robust and sensitive pressure/strain sensors from solution processable composite hydrogels enhanced by hollow-structured conducting polymers”为题发表在Chemical Engineering Journal上。西安工业大学为该论文第一完成单位,西安工业大学周宏伟教授为第一作者兼通讯作者,陕西科技大学马毅超副教授、哈佛大学张兴才博士为该论文的共同通讯作者。


广东11选5   此研究工作得到了国家自然科学基金(No。 51603164),陕西省自然科学基础研究计划面上项目(No。 2019JM-124),陕西省教育厅重点科学研究计划项目(No。 20JS062)、陕西省青年人才托举计划项目(No。 20170706)和陕西省普通高校青年杰出人才计划的支持。


  论文信息: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.


  论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720324359

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