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桂林理工大學(xué)陸紹榮教授和湖南大學(xué)蔡仁教授課題組《Small》：用于火焰和濕度高靈敏度檢測的雙功能傳感器
2022-09-01  來源：高分子科技

  近日，桂林理工大學(xué)陸紹榮教授課題組和湖南大學(xué)蔡仁教授課題組合作報(bào)道了一種多功能傳感器，相關(guān)成果以“A Dual-Function Sensor for Highly Sensitive Detection of Flame and Humidity”為題發(fā)表在國際化學(xué)權(quán)威雜志Small上。論文的第一作者為桂林理工大學(xué)與湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)的博士生張作才，通訊作者為蔡仁教授，共同通訊作者為桂林理工大學(xué)陸紹榮教授。此研究得到國家自然科學(xué)基金（51763009, 51605109, 22004032）、廣西科技重大專項(xiàng)（AA18242010 和 AA18242008）等項(xiàng)目資助。


  隨著5G時(shí)代的到來，智能柔性傳感器作為一種關(guān)鍵的智能柔性電子產(chǎn)品，引起了人們的廣泛關(guān)注。通過將濕度和溫度等變化轉(zhuǎn)化為可讀的電信號，這些傳感器已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、智能穿戴設(shè)備、火災(zāi)報(bào)警設(shè)備、個(gè)性化健康監(jiān)測和智能電子皮膚等領(lǐng)域。然而，大多數(shù)智能傳感器在特殊應(yīng)用中功能單一或缺乏環(huán)境穩(wěn)定性。因此，開發(fā)一種綠色、環(huán)保、高效的多功能傳感器并將其集成在一個(gè)智能系統(tǒng)中監(jiān)測火災(zāi)隱患和濕度是非常必要的。 


圖1 MSCG膜的制備：（a）劍麻纖維；（b）接枝劍麻納米纖維（MgC）；（c）MgC透射電鏡圖像；（d）蠶繭；（e）蠶絲納米纖維（SNF）；（f） SNF的SEM圖像；（g）劍麻纖維結(jié)構(gòu)示意圖；（h）蠶絲纖維結(jié)構(gòu)示意圖；（i）MSG膜的制備工藝；（j） MSCG膜的制備工藝；（k）MSCG膜


  針對提高器件多功能應(yīng)用需求，賦予傳感器濕度敏感性、火焰報(bào)警性和耐久性，陸紹榮教授團(tuán)隊(duì)從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，引入-COOH基團(tuán)提高劍麻納米纖維素的成膜性，同時(shí)引入蠶絲納米纖維和石墨烯，利用蠶絲納米纖維分子上的-NH2基團(tuán)與劍麻納米纖維素分子上的-COOH基團(tuán)反應(yīng)結(jié)合以及石墨烯的協(xié)同作用提高火焰報(bào)警傳感性能。并采用檸檬酸（CA）進(jìn)行交聯(lián)提高力學(xué)強(qiáng)度，MSCG膜在100℃的水中浸泡后表現(xiàn)出良好的濕強(qiáng)度（128.8 MPa）和快速的濕度響應(yīng)時(shí)間 （0.9 s），同時(shí)火焰報(bào)警系統(tǒng)的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間為1.2 s/2.4 s。并且MSCG膜在重復(fù)干燥-噴水-干燥的過程和重復(fù)火焰-空氣-火焰的過程中表現(xiàn)出良好的濕度和火焰?zhèn)鞲行阅芮译娦盘栞敵鲂阅芫浅７(wěn)定。通過該方法制備了一種具有快速濕度響應(yīng)、火災(zāi)報(bào)警響應(yīng)、溫度響應(yīng)和良好濕強(qiáng)度和耐久性的可持續(xù)生物膜（MSCG），可作為濕度和火焰雙功能傳感器用生物降解膜材料。 


圖2（a）基于MSCG薄膜的循環(huán)濕度傳感器器件示意圖；（b-c）固定噴水次數(shù)時(shí)的時(shí)間與電流的關(guān)系曲線；（d） MSCG膜在25 ℃和100 ℃時(shí)的吸水性能；（e）MSCG膜的載重照片；（f）MSCG膜的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（g）基于MSCG膜的循環(huán)火災(zāi)報(bào)警傳感器裝置示意圖；（h-i）MSCG膜暴露在火焰源下的循環(huán)電流響應(yīng)曲線 


圖3 MSCG膜濕度傳感器監(jiān)測的四種呼吸模式下的實(shí)時(shí)電流變化：（a-b）正常呼吸；（c）緩慢呼吸；（d-e）快速呼吸；（f）不規(guī)則的呼吸


  此外，以前期研究成果為基礎(chǔ)，利用MSCG膜中的CA可以產(chǎn)生額外的離子，能顯著降低MSCG膜在高相對濕度（RH）條件下電阻的特性。通過成人在不同狀態(tài)下的呼吸實(shí)驗(yàn)，在模擬快速呼吸的實(shí)驗(yàn)中，所設(shè)計(jì)的多功能傳感器的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間非？焖伲_(dá)到了0.38 s/0.75 s（52?100% RH）。因此，可以將MSCG膜組裝成一種多功能智能傳感器系統(tǒng)，并通過智能設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測。該工作為多功能傳感器在火災(zāi)事故監(jiān)測、環(huán)境濕度、個(gè)人健康監(jiān)測和呼吸診斷分析方面的研究提供了新的思路。 


圖4用于智能火災(zāi)報(bào)警、高溫預(yù)警和水響應(yīng)系統(tǒng)的多功能傳感器示意圖


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202203334

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