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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。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，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)時間：63.2ms），頻響范圍較寬（響應(yīng)頻率：5-25Hz），同時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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