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安農(nóng)大陳玉霞課題組 CEJ：具有寬響應范圍和高靈敏度的用于柔性壓阻傳感器的超彈性竹纖維海綿狀氣凝膠

2024-04-26 來源：高分子科技

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，智能家居在提高人類生活質(zhì)量和健康水平方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，尤其是現(xiàn)廣受關(guān)注的軟體家具直接關(guān)聯(lián)著人體健康和使用舒適性。柔性壓力傳感器，作為智能軟體家具產(chǎn)品的核心部分，在人機交互、個人健康監(jiān)測、姿勢識別等應用中展現(xiàn)出巨大的潛力。然而，應用于家具產(chǎn)品的柔性壓力傳感器往往高度依賴石油基材料，涉及復雜工藝流程且伴隨有毒物質(zhì)的釋放，嚴重限制了其進一步發(fā)展。竹源纖維素因綠色環(huán)保、儲量豐富、機械強度高等優(yōu)勢，已經(jīng)逐漸成為生物質(zhì)基柔性傳感器的理想構(gòu)筑材料。但目前所使用的竹源纖維素傳感器高度依賴于自身固有的線性特征，并沒有利用竹纖維的強度特性進行孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計，所制備的壓力傳感器機械性能不強，靈敏度不高，成為了困擾其在智能家居領(lǐng)域廣泛應用的難題。因此，亟需設(shè)計一種基于竹源纖維素制備集高彈性、優(yōu)異傳感性能（靈敏度、快速響應/恢復、寬檢測范圍、抗疲勞性）和機械完整性一體化的海綿狀氣凝膠壓阻傳感器，以準確檢測多種壓力信號，用于新興的智能健康領(lǐng)域。

各種設(shè)計策略如多孔結(jié)構(gòu)、空心結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)等空間結(jié)構(gòu)設(shè)計提高了氣凝膠的綜合性能，在柔性壓力傳感器制備方面取得了重要進展。然而，先前報道的基于多孔材料的傳感器要么原料對環(huán)境產(chǎn)生過高污染，要么無法同時滿足傳感器高彈性、高靈敏度和耐久性，限制了其在實際生活中的應用。為了解決這一問題，本文受天然海綿孔隙結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，利用宏觀竹纖維和氧化石墨烯，設(shè)計了一種具有多孔海綿泡孔微結(jié)構(gòu)的氣凝膠。得益于泡孔結(jié)構(gòu)能夠有效吸收和釋放能量的特性，由此制備的M-CBF-rGO具有優(yōu)異的超彈性（在90%形變下不會被破壞）和機械穩(wěn)定性（7000次）和良好的透氣性。同時，M-CBF-rG傳感器還表現(xiàn)出超高應變靈敏度（892.9）、寬的壓力檢測范圍（0-300 kPa）和快速的響應恢復時間（20 ms）。基于以上優(yōu)勢，M-CBF-rGO傳感器不僅可以集成到軟體家具的緩沖材料中，確保產(chǎn)品的使用舒適性，還可以用于檢測人體生理信號，形成傳感器矩陣實時性地監(jiān)測人體活動，包括坐姿和睡姿，展示了在人體健康診斷、智能可穿戴產(chǎn)品和智能軟體家具等領(lǐng)域的潛在應用前景。相關(guān)工作以“Superelastic bamboo-fiber spongy aerogel for flexible pressure sensors with wide response range and high sensitivity”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。通訊作者為安徽農(nóng)業(yè)大學材料與化學學院陳玉霞教授、郭勇教授。共同第一作者為安徽農(nóng)業(yè)大學碩士生呂燕、博士魏潔和碩士生黃志。

圖1 竹纖維氣凝膠柔性壓力傳感器的設(shè)計原理及合成工藝

竹纖維/氧化石墨烯復合氣凝膠（M-CBF-rGO）的制備主要分為兩步包括竹纖維的制備和碳氣凝膠的制備。通過雙氧水+冰醋酸蒸煮法提取單根宏觀竹纖維，加入氧化石墨烯共混攪拌，-17℃冷凍干燥后高溫碳化，制備具有多孔結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠。后用PDMS浸漬改性處理，賦予彈性支撐。

圖2 （a）BF-GO、CBF-rGO、M-CBF-rGO氣凝膠的光學照片。（b, e）BF-GO泡沫，（c, f）CBF-rGO氣凝膠，（d, g）M-CBF-rGO氣凝膠在不同放大倍數(shù)下的SEM圖像。

氧化石墨烯附著在竹纖維和薄壁細胞表面，形成連續(xù)的片層交聯(lián)結(jié)構(gòu)的氣凝膠網(wǎng)絡BF-GO。經(jīng)過高溫熱解后，氧化石墨烯脫氧依附作用會影響薄壁細胞的片層收縮，并通過π-π相互作用圍繞竹纖維形成網(wǎng)絡狀球形孔隙結(jié)構(gòu)，類似海綿泡孔。PDMS浸漬改性可在CBF-rGO表面形成一層很薄的絕緣層，在壓縮過程中可形成隧穿電流促進傳感。

圖3 M-CBF-rGO的力學性能

獨特的海綿狀泡孔結(jié)構(gòu)以及PDMS在其表面和孔壁的均勻包覆賦予了M-CBF-rGO彈性框架支撐，并利用單個球狀泡孔內(nèi)壁模型進行有限元仿真驗證泡孔結(jié)構(gòu)整體對力的傳遞作用。M-CBF-rGO氣凝膠可以承受形變90%的極端應力而不會造成完全塌陷，在70%應變條件下可連續(xù)循環(huán)至少2500次。

圖4 M-CBF-rGO的壓力傳感性能

M-CBF-rGO氣凝膠憑借較大的壓縮應變范圍、機械穩(wěn)定性和耐久性等優(yōu)勢，成為開發(fā)壓阻式柔性壓力傳感器的理想材料。應力靈敏度最高可達0.31 kPa^-1，應變靈敏度高達892.9，顯著高于許多同類型傳感器材料，并能夠?qū)崿F(xiàn)0-300 kPa的寬壓力監(jiān)測范圍。可實現(xiàn)20 ms的快速響應速度和連續(xù)7000次的循環(huán)加載仍能實現(xiàn)良好的電流曲線。

圖5 M-CBF-rGO壓阻傳感器對人體動作的信號檢測效果

由于M-CBF-rGO壓阻傳感器具有較高的靈敏度和快速響應時間，能夠明顯識別皺眉、吞咽、踢腿、手臂彎曲和手指彎曲等人體動作。并且基于M-CBF-rGO材料的低導熱系數(shù)，該傳感器能夠檢測極端溫度條件下（60℃和-54℃）的運動變化，可作為熱保護材料。此外，該傳感器具有良好的透氣性，可用于軟體家具的緩沖材料。

圖6 M-CBF-rGO柔性壓阻式傳感器陣列對人體姿勢的識別和檢測

將15個M-CBF-rGO泡沫集成3*5的傳感陣列組成體壓墊進行人體姿勢檢測。該體壓墊可以清楚的識別正坐坐姿、前傾坐姿和后仰坐姿在椅子的壓力分布情況以及仰臥、左右側(cè)臥的睡姿情況。并利用機器學習技術(shù)進行不同姿勢的動態(tài)識別和檢測，所得姿勢識別準確率可達0.915。本研究不僅展示了深度學習在姿態(tài)識別領(lǐng)域的潛力，也為健康監(jiān)測系統(tǒng)提供了技術(shù)支持。因此，M-CBF-rGO壓阻式傳感器作為壓力測試墊的演示表明其在智能醫(yī)療系統(tǒng)中的巨大潛力。

論文信息：

Superelastic bamboo fiber-based spongy aerogel for flexible piezoresistive sensors with wide response range and high sensitivity

Yan Lv, Jie Wei, Zhi Huang, Zhong Zhang, Shicheng Ding, Chenxing Zhang Wenfei Wang, Kangkang Xu, Runmin Xu, Liuyang Wang, Yong Guo* and Yuxia Chen*. Chemical Engineering Journal, DOI: 10.1016/j.cej.2024.151053

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151053

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（責任編輯：xu）

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