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    北京林業大學蒲俊文教授團隊:剛柔微結構協同增強的彈性木質纖維基傳感器
    2021-07-17  來源:高分子科技

      隨著創新技術的快速發展,柔性壓力傳感器因其在實時在線醫療監測、便攜式/可穿戴電子產品、智能機器人和人體運動跟蹤等方面的巨大應用潛力而受到廣泛關注,特別是柔性壓阻傳感器的快速增長同時伴隨著對綠色、多功能和高性能材料的巨大需求。此外,由無線網絡控制的復雜電路和微小的電子元件會產生對電子設備和人體健康有害的電磁輻射,傳感設備的使用耐久性和穩定性等都是目前亟需解決的一大難題。因此,在確保其功能性的同時,克服可穿戴柔性材料存在的缺陷和問題仍然具有很大挑戰性。


      針對以上問題,蒲俊文教授團隊受天然木材分層3D微觀結構和多孔通道結構的啟發,通過脫木素預處理得到可適用于功能納米粒子組裝的纖維素骨架(CS)。CS繼承了天然木材多層級結構、可提供強力支撐并且可充當活性材料基質的特點。通過將CNT/MXene(CM)復合納米片引入,使絕緣木纖維獲得導電性和電磁屏蔽性。該團隊近一步在CM/CS表面包覆聚二甲基硅氧烷 (PDMS)以增強材料力學性能和耐久性能。相較于常見的壓縮強度僅有十幾KPa的纖維基壓阻傳感材料,CMP/CS表現出較高的力學強度,其最大壓縮應力可達1.53 MPa。同時, CMP/CS表面具有超強的疏水性能,可抵抗各種化學腐蝕和防機械損傷的能力。


    圖1. 彈性,多功能,木質復合材料的合成程序示意圖。


      研究發現,CMP/CS優異的力學性質關鍵之處在于PDMS和纖維素纖維之間軟硬微結構的協同作用。具體而言,(1)在宏觀尺度上,由高度排列的纖維素纖維組成的細胞壁有利于消散外部應力并產生較大的變形。(2)在微觀尺度上,CMP/CS具有纖維素纖維和 PDMS 的“硬-軟”協同特性,被“軟”PDMS包裹的“硬”纖維素纖維強烈融合形成堅固的復合納米纖維和穩定的交聯納米結構,這有利于提高CMP/CS的抗壓縮性能。“硬-軟”界面的分層組合賦予了 CMP/CS 復合材料優異的力學性能,這將有助于其在不同特種材料領域的實際應用。


    圖2. CS和CMP/CS復合材料的形態和結構表征。(a, b) CS的SEM圖像:(a)截面圖和(b)纖維生長方向圖。(c, d) CMP/CS復合材料的SEM圖像:(c)截面圖和(d)纖維生長方向圖。(e) CMP/CS橫斷面元素分布情況。 (f)純MXene納米片、CS和CMP/CS復合材料的XPS譜圖。


      此外,1D管狀CNT在2D MXene納米片之間可充當“導電橋”的作用,因此CMP/CS電導率可達9.8 S cm-1, CM導電層使纖維素骨架具備了優異的導電性能。此外,具有互連通道的多孔 CMP/CS 復合材料可以看作是一個以吸收為主的 3D電磁波“捕獲器”。CMP/CS 復合材料的高孔隙率導致阻抗失配降低,入射電磁微波很容易進入反射率較低的通道。入射電磁波沿著狹長的“陷阱”通道多次反射并衰減。不均勻的界面通道增加了 CMP/CS 復合材料內部的散射。因此,電磁能被沉積在 CS 上的 CM 復合納米片逐漸吸收和消散。這使得微波在被吸收之前很難從多孔 CMP/CS 復合材料中逸出。因此,CMP/CS復合材料具有優異的電磁屏蔽性能(在X波段EMI SE可達28.4-29.3 dB)滿足了商業應用的要求。


    圖3. CMP/CS復合材料組裝成可穿戴應變傳感器,實時監測各種運動。(a) 50%應變下傳感器在不同頻率下的相對信號變化。(b)傳感器循環穩定性測試。(c)傳感器靈敏檢測。(d,e)不同應用場景下對運動行為的靈敏檢測。


      得益于高壓縮、結構穩定性和優異導電性,CMP/CS可以作為適形可壓縮傳感器直接貼附在人體皮膚或關節上,檢測人體劇烈運動或聲音識別等微小生理活動。這種利用綠色和可再生的生物資源制備多功能壓阻傳感器,在便攜式/可穿戴電子產品、智能機器人和人機交互界面等領域具有潛在應用前景。


      該研究成果以“Lightweight and elastic wood-derived composites for pressure sensing and electromagnetic interference shielding”為題在線發表在《Composites Science and Technology》期刊上。論文第一作者是2020級博士研究生王振興蒲俊文教授為該工作的通訊作者,該工作得到《石墨烯材料應用于木材改性及特種紙加工技術的研究》項目的資助。


      原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353821002876

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