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福建工程學(xué)院陳汀杰課題組《ACS AMI》：水性MXene油墨實(shí)現(xiàn)高彈導(dǎo)電植物纖維海綿壓阻傳感器的制備

時(shí)間：2022-11-17 來(lái)源： 瀏覽：

福建工程學(xué)院陳汀杰課題組《ACS AMI》：水性MXene油墨實(shí)現(xiàn)高彈導(dǎo)電植物纖維海綿壓阻傳感器的制備

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高分子科技 .

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隨著可穿戴電子產(chǎn)品需求的增加，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和收集人體體征信號(hào)的柔性壓阻傳感器（PRS）受到了廣泛的關(guān)注。相比于二維平面結(jié)構(gòu)，具有壓縮回彈特性的導(dǎo)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(cè)限和響應(yīng)時(shí)間。利用水熱處理和高溫碳化等技術(shù)，將天然多孔的生物質(zhì)材料制備成具有壓縮回彈和導(dǎo)電特性的三維多孔材料，是當(dāng)前PRS研究領(lǐng)域里一種可行的方法。但是，由于高溫碳化過(guò)程中，生物質(zhì)材料容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，材料脆性大，致使制備得到的多孔材料力學(xué)性能較差，無(wú)法滿(mǎn)足高靈敏度和低檢測(cè)限PRS傳感器的組裝。

福建工程學(xué)院陳汀杰副教授 課題組與南方科技大學(xué)常建副研究員 在《 ACS Applied Materials & Interfaces 》期刊上發(fā)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(zhì)，經(jīng)過(guò)液體機(jī)械發(fā)泡和有機(jī)包埋的方法，制備具有 高壓縮 回彈 和導(dǎo)電 特 性 的多孔 MXene 改性 植物纖維海綿（ MX-PFS ） ，并將其應(yīng)用于 P RS 器件的組裝及測(cè)試 。 該制備工藝簡(jiǎn)單，不需經(jīng)過(guò)高溫碳化，可制備大尺寸樣品。為實(shí)現(xiàn)材料的導(dǎo)電改性，文章以 MXene 納米片 、聚醋酸乙烯酯和炭黑為原料， 通過(guò) 物理 球磨 的方法 ， 制備水性的導(dǎo)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(yīng) （光驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)和濕度驅(qū)動(dòng)） 雙向彎曲驅(qū)動(dòng)器。 由于水性 MXene 油墨中含有聚醋酸乙烯酯，可作為一種粘結(jié)劑使用，將其添加到植物纖維發(fā)泡材料的制備流程中，通過(guò) 物理 機(jī)械攪拌 發(fā)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(gòu)成的 層狀多孔 導(dǎo)電 MX-PFS 海綿。 然后， 通過(guò)聚二甲基硅氧烷 （ PDMS ）的 浸涂 處理 ， 可以制備出具有優(yōu)異壓縮回彈性的導(dǎo)電 MX-PFS 海綿（ MX-PFS@PDMS ） 。 MX-PFS@PDMS 的 壓縮應(yīng)變 高達(dá) 60% ，且具有 良好 的機(jī)械 循環(huán)穩(wěn)定性 （ 10000 壓縮 - 回彈 循環(huán) 不變形）。將 MX-PFS@PDMS 組裝成 P RS 器件，展現(xiàn)出較 高 的壓阻 靈敏度 （ 435.06 kPa ?1 ） ，低 的 檢測(cè)限 （ 20 Pa ） 和快速 的 響應(yīng)時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)人體不同部位運(yùn)動(dòng)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確收集 各種 運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電 信號(hào) ，展現(xiàn)了該材料在可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用潛能，同時(shí)也為植物纖維材料在可穿戴柔性傳感領(lǐng)域的應(yīng)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(wǎng)印刷;  (e) Paper 和 P aper@MXene 的 I?V 曲線(xiàn);  (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(qū)動(dòng)器的制備示意圖 ;  (h- i ) BOPP/MXene/Paper 驅(qū)動(dòng)器在 不同電壓作用 10 s 后彎曲變化 的光學(xué)圖;  (j) 驅(qū)動(dòng)器 的電致驅(qū)動(dòng)響應(yīng)機(jī)理示意圖。
 

圖 3.  (a) MX-PFS 的 宏觀(guān)圖;  (b-c) MX-PFS 截面的顯微圖;  (d) PFS 的 S EM 圖 ;  (e-f) MX-PFS 的 S EM 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(guò)程 圖 ;  (c- d ) MX-PFS@ PDMS 的應(yīng)力 -應(yīng)變曲線(xiàn);  (e) 應(yīng)變?yōu)?/span> 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(yīng)變下的結(jié)構(gòu)變形 情況。
 

圖 5.  (a-b) MX-PFS@PDMS 傳感器在不同壓縮應(yīng)變 作用條件下 RGB-LED 燈 亮度變化圖 ;  (c-e) MX-PFS@PDMS 傳感器的 應(yīng)變 -電阻變化率曲線(xiàn)、壓阻靈敏度曲線(xiàn)和響應(yīng)時(shí)間曲線(xiàn);  (f) 不同 MXene 油墨 添加量的 MX-PFS@PDMS 傳感器 應(yīng)變 -電流變化 率曲線(xiàn) ;  (g) 不同 作用力條件 下 MX-PFS@PDMS 傳感器的 C -V 曲線(xiàn) ;  (h-i) 50% 壓縮應(yīng)變 條件 下， MX-PFS@PDMS 傳感器在不同 壓縮頻率和連續(xù)循環(huán) 壓縮 - 回彈條件下的 應(yīng)變 -電流變化率曲線(xiàn)。
 

圖 6.  MX-PFS@PDMS 粘附在人體不同部位收集到的信號(hào)曲線(xiàn)，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(fā)聲和( g )   肘部脈搏 跳動(dòng)。
相關(guān)工作近期 以 “Piezoresistive Sensor Containing Lamellar MXene-Plant Fiber   Sponge Obtained with Aqueous MXene Ink” 為題發(fā)表 在 ACS Applied Materials & Interfaces  期刊上。論文第一作者為福建工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)院 彭響方教授 、 陳汀杰 副教授 和 南方科技大學(xué)常建副研究員 。

文獻(xiàn)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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