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福建工程学院陈汀杰课题组《ACS AMI》：水性MXene油墨实现高弹导电植物纤维海绵压阻传感器的制备

时间：2022-11-17 来源： 浏览：

福建工程学院陈汀杰课题组《ACS AMI》：水性MXene油墨实现高弹导电植物纤维海绵压阻传感器的制备

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随着可穿戴电子产品需求的增加，可用于实时监测和收集人体体征信号的柔性压阻传感器（PRS）受到了广泛的关注。相比于二维平面结构，具有压缩回弹特性的导电多孔材料更适合用于PRS的组装，它可以大幅度改善柔性PRS器件的压阻灵敏度、检测限和响应时间。利用水热处理和高温碳化等技术，将天然多孔的生物质材料制备成具有压缩回弹和导电特性的三维多孔材料，是当前PRS研究领域里一种可行的方法。但是，由于高温碳化过程中，生物质材料容易发生结构变形，材料脆性大，致使制备得到的多孔材料力学性能较差，无法满足高灵敏度和低检测限PRS传感器的组装。

福建工程学院陈汀杰副教授 课题组与南方科技大学常建副研究员 在《 ACS Applied Materials & Interfaces 》期刊上发表了一篇题为 “ Piezoresistive Sensor Containing Lamellar MXene-Plant Fiber Sponge Obtained with Aqueous MXene Ink ” 的文章。文章提出一种以植物纤维为原料， MXene 纳米片 为改性物质，经过液体机械发泡和有机包埋的方法，制备具有 高压缩 回弹 和导电 特 性 的多孔 MXene 改性 植物纤维海绵（ MX-PFS ） ，并将其应用于 P RS 器件的组装及测试 。 该制备工艺简单，不需经过高温碳化，可制备大尺寸样品。为实现材料的导电改性，文章以 MXene 纳米片 、聚醋酸乙烯酯和炭黑为原料， 通过 物理 球磨 的方法 ， 制备水性的导电 MXene 油墨。该油墨可以直接被刷涂或喷涂到纤维素纸上，制备出 多响应 （光驱动、电驱动和湿度驱动） 双向弯曲驱动器。 由于水性 MXene 油墨中含有聚醋酸乙烯酯，可作为一种粘结剂使用，将其添加到植物纤维发泡材料的制备流程中，通过 物理 机械搅拌 发泡 的方法 ，可 制备出由一维包裹 MXene 涂层 的 植物纤维和 二维 MXene 纳米片 构成的 层状多孔 导电 MX-PFS 海绵。 然后， 通过聚二甲基硅氧烷 （ PDMS ）的 浸涂 处理 ， 可以制备出具有优异压缩回弹性的导电 MX-PFS 海绵（ MX-PFS@PDMS ） 。 MX-PFS@PDMS 的 压缩应变 高达 60% ，且具有 良好 的机械 循环稳定性 （ 10000 压缩 - 回弹 循环 不变形）。将 MX-PFS@PDMS 组装成 P RS 器件，展现出较 高 的压阻 灵敏度 （ 435.06 kPa −1 ） ，低 的 检测限 （ 20 Pa ） 和快速 的 响应时间 （ 40 ms ） 。 此外，将 MX-PFS@PDMS 传感器 粘附在 人体 的不同部位（如 手指 、手腕、 膝盖 、 面部 等），可以实现对人体不同部位运动情况的实时监测，准确收集 各种 运动产生的电 信号 ，展现了该材料在可穿戴电子设备的应用潜能，同时也为植物纤维材料在可穿戴柔性传感领域的应用提供新思路。
 

图 1. （ a ） MXene 油墨 和（ b ） MX-PFS 的制备 流程和界面相互作用示意图。
 

图 2.   ( a-b )   剥离 后 MXene 纳米片的 TEM 和 AFM 图 ;   ( c-d )   水性 MXene 油墨用于丝网印刷;  (e) Paper 和 P aper@MXene 的 I−V 曲线;  (f) Paper@MXene 在不同电压作用 10 s 下 表面温度分布图;  (g) BOPP/MXene/Paper 驱动器的制备示意图 ;  (h- i ) BOPP/MXene/Paper 驱动器在 不同电压作用 10 s 后弯曲变化 的光学图;  (j) 驱动器 的电致驱动响应机理示意图。
 

图 3.  (a) MX-PFS 的 宏观图;  (b-c) MX-PFS 截面的显微图;  (d) PFS 的 S EM 图 ;  (e-f) MX-PFS 的 S EM 图 ;  (g) MX-PFS 的元素 扫描图 ;  (h- i ) PFS 和 MX-PFS 的 XRD 和 FT-IR 谱图。
 

图 4.  (a-b) MX-PFS@PDMS 压缩 - 回弹 过程 图 ;  (c- d ) MX-PFS@ PDMS 的应力 -应变曲线;  (e) 应变为 50% 条件下，材料多次 压缩 - 回弹后高度 变化图 ;  (f-g) MX-PFS@PDMS 在不同压应变下的结构变形 情况。
 

图 5.  (a-b) MX-PFS@PDMS 传感器在不同压缩应变 作用条件下 RGB-LED 灯 亮度变化图 ;  (c-e) MX-PFS@PDMS 传感器的 应变 -电阻变化率曲线、压阻灵敏度曲线和响应时间曲线;  (f) 不同 MXene 油墨 添加量的 MX-PFS@PDMS 传感器 应变 -电流变化 率曲线 ;  (g) 不同 作用力条件 下 MX-PFS@PDMS 传感器的 C -V 曲线 ;  (h-i) 50% 压缩应变 条件 下， MX-PFS@PDMS 传感器在不同 压缩频率和连续循环 压缩 - 回弹条件下的 应变 -电流变化率曲线。
 

图 6.  MX-PFS@PDMS 粘附在人体不同部位收集到的信号曲线，包含 ( a) 手指 压缩； ( b )   手指弯曲 ； ( c )   手腕弯曲 ； ( d )   膝盖弯曲 ； ( e )   脸颊 凸起 ； ( f )   喉咙发声和( g )   肘部脉搏 跳动。
相关工作近期 以 “Piezoresistive Sensor Containing Lamellar MXene-Plant Fiber   Sponge Obtained with Aqueous MXene Ink” 为题发表 在 ACS Applied Materials & Interfaces  期刊上。论文第一作者为福建工程学院材料科学与工程学院 陈汀杰 副教授和研究生刘智勇 。论文通讯作者为 福建工程学院 彭响方教授 、 陈汀杰 副教授 和 南方科技大学常建副研究员 。

文献链接： 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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