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中科院福建物構(gòu)所官輪輝研究員團(tuán)隊(duì) CEJ：基于多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的功能化氣凝膠
2023-07-05  來源：高分子科技

  三維多孔MXene氣凝膠因其重量輕、導(dǎo)電性高、機(jī)械柔韌性好等優(yōu)異的特性，在傳感器、電子皮膚、可穿戴設(shè)備、隔熱、能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，單純的MXene氣凝膠力學(xué)性能較差，難以適用于實(shí)際，并且在不斷變化的環(huán)境條件下同時(shí)保持超彈性和優(yōu)異的壓阻效應(yīng)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。首先合成的氣凝膠的機(jī)械性能是其作為可靠以及耐久的傳感器的基本要求。再者材料的選取以及多尺度對氣凝膠進(jìn)行設(shè)計(jì)使氣凝膠傳感器具有良好的傳導(dǎo)性能，耐久性，高低頻檢測性能等機(jī)電響應(yīng)性能，并且實(shí)現(xiàn)了疏水和高低溫環(huán)境下穩(wěn)定的附加功能。


  在此, 中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所官輪輝研究員團(tuán)隊(duì)以海藻酸鈉(SA)為MXene納米片的粘結(jié)劑，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為補(bǔ)強(qiáng)劑，制備了具有高導(dǎo)電性、優(yōu)異的回彈性、可靠的隔熱性能和良好的疏水性的SA/MXene/PDMS (SMP)復(fù)合氣凝膠。MXene納米片與SA之間的相互作用增強(qiáng)了氣凝膠的3D網(wǎng)絡(luò)框架。采用改進(jìn)的定向冷凍法制備的具有層-支網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氣凝膠具有重量輕、靈敏度高(37.43- kPa-1)、顯著的可逆性壓縮(70%)和優(yōu)異的抗疲勞性能(60000次循環(huán))等特點(diǎn)。基于SMP復(fù)合氣凝膠的壓阻式傳感器可以快速響應(yīng)壓力/應(yīng)變信號，可進(jìn)一步用于人體運(yùn)動監(jiān)測、和人體健康監(jiān)測。此外，該MXene氣凝膠傳感器可以檢測低到高頻的振動信號（0.5-900Hz），使其在旋轉(zhuǎn)機(jī)械速度檢測、懸臂梁振動檢測、懸臂梁的無損檢測以及其他工程應(yīng)用中發(fā)揮作用。由于其層狀孔隙結(jié)構(gòu)和PDMS的輔助，氣凝膠還具有較大的水接觸角(119°)和極端的環(huán)境適應(yīng)性(-40至80℃)，使其更能適用于實(shí)際應(yīng)用。


【SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的合成表征與機(jī)械性能】


  該研究采用雙溫度梯度冰模板法構(gòu)建層-支結(jié)構(gòu)MXene氣凝膠。在冷凍過程中存在水平和垂直的溫度梯度，溶液中冰晶的生長把水和溶質(zhì)分離。所得到的樣品在真空冷凍干燥機(jī)里去除掉冰成分，最終獲得SA/MXene層狀氣凝膠。由于SA和MXene都具有豐富的親水性極性表面官能團(tuán)，有利于混合溶液的均勻性。此外，SA分子鏈上豐富的-OH基團(tuán)被認(rèn)為是MXene氣凝膠的增強(qiáng)粘合劑。雖然SA增強(qiáng)了MXene片層的交聯(lián)，但氣凝膠的孔壁回彈性仍然較弱。因此，采用浸沒硅樹脂策略對氣凝膠進(jìn)行疏水處理，同時(shí)提高氣凝膠的壓縮回彈性。所獲得的SMP氣凝膠在保證疏水能力的同時(shí)，還有利于實(shí)現(xiàn)了壓縮-回彈的性能，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)的連續(xù)性與完整性，MXene交聯(lián)孔壁的導(dǎo)電性沒有明顯影響。相關(guān)的SEM，SEM-EDS以及XRD證明了所獲得的結(jié)構(gòu)以及成分組成，XPS等證明了SA改善了MXene的交聯(lián)情況。直觀的力學(xué)壓縮實(shí)驗(yàn)以及有限元對結(jié)構(gòu)特性的模擬說明了該研究所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的合理性。


圖1. SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的合成與機(jī)械性能。


【SMP氣凝膠的機(jī)電響應(yīng)性能】


  基于該氣凝膠的結(jié)構(gòu)特性與優(yōu)異的機(jī)械性能，探測由SMP氣凝膠作為傳感單元的機(jī)電響應(yīng)性能至關(guān)重要。對氣凝膠施加從125 ~ 2500pa逐漸增大的壓力，氣凝膠相應(yīng)的電流變化具有重復(fù)性和可逆性。壓力靈敏度是評價(jià)壓阻式傳感器的一個(gè)重要指標(biāo)。SMP氣凝膠的最大靈敏度值為37.43 kPa-1，整體工作范圍可達(dá)50 kPa以上。SMP氣凝膠傳感器具有高靈敏度和大壓力范圍。SMP氣凝膠傳感器還具有應(yīng)變傳感器的潛力，其GF值逐漸增大至435，同時(shí)SMP氣凝膠傳感器能夠?qū)Υ髴?yīng)變以及微小應(yīng)變做出相應(yīng)的機(jī)電響應(yīng)。對SMP氣凝膠傳感器的具體傳感機(jī)理進(jìn)行分析：一般情況下，SMP傳感器的總電阻(Rr)由層狀導(dǎo)電壁的電阻(RL)和層狀導(dǎo)電壁之間的支撐細(xì)胞壁的電阻(Rs)組成。當(dāng)應(yīng)力/應(yīng)變作用于傳感器時(shí)，在小應(yīng)變下，氣凝膠片層導(dǎo)電壁的接觸減少，片層壁之間的細(xì)胞壁彎曲是導(dǎo)致電導(dǎo)率增加的主要因素。隨著壓力/應(yīng)變的增加，導(dǎo)電片層壁之間的接觸面積增加，產(chǎn)生明顯的壓阻效應(yīng)。



圖2. SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的機(jī)電響應(yīng)特性。


【SMP氣凝膠傳感器的多功能應(yīng)用】


  與固有的粘彈性聚合物傳感器相比，碳基氣凝膠已知在高頻條件下保持彈性，其電信號可以在高頻加載和卸載(振動)下瞬間變化并保持恒定。為了證明SMP氣凝膠傳感器在這方面的優(yōu)異性能，設(shè)計(jì)了氣凝膠在高低頻機(jī)械振動下的傳感性能測試。分別對懸臂梁的固有頻率信號，懸臂梁激振信號，旋轉(zhuǎn)電機(jī)信號以及損傷懸臂梁振動信號進(jìn)行了檢測與分析。
在人體健康監(jiān)測方面，SMP氣凝膠傳感器能夠檢測人體微弱的脈搏跳動以及人體大幅度的運(yùn)動信號。值得注意的是將SMP氣凝膠用在足弓疾病診斷上，其能有效的分辨出扁平足，弓足以及正常足弓姿態(tài)產(chǎn)生的信號變化，說明其具有一定的醫(yī)療應(yīng)用前景。


圖3. SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的工程應(yīng)用。


圖4. SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的人體健康監(jiān)測應(yīng)用以及電子皮膚應(yīng)用。


【SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的環(huán)境穩(wěn)定性】


  工作環(huán)境會對傳感器的性能產(chǎn)生很大的影響，主要體現(xiàn)在濕度和溫度上。良好的隔熱是電子皮膚和柔性可穿戴設(shè)備不可缺少的功能，它有助于保護(hù)人體、電子設(shè)備和傳感器本身免受高溫/冷溫度的損害。SMP氣凝膠傳感器能夠依靠自身多孔的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有效的隔熱作用 并且能夠適應(yīng)高低溫作業(yè)（-40-80 ℃），同時(shí)硅橡膠的引入使其具有良好的疏水性能（水接觸角119o）。因此該氣凝膠具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)極端環(huán)境下的使役。


圖5. SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的環(huán)境穩(wěn)定性。


  綜上所述，采用雙梯度冷凍鑄造和冷凍干燥的方法制備了層狀、輕質(zhì)、導(dǎo)電的SMP氣凝膠。該氣凝膠不僅具有0.05g cml的低體積密度，而且具有優(yōu)異的壓縮回彈性(70%應(yīng)變)。使用該氣凝膠構(gòu)建的壓阻式傳感器在高達(dá)50 kPa的寬壓力范圍內(nèi)表現(xiàn)出令人印象深刻的壓力靈敏度(37.4 kPa)和應(yīng)變GF值(435)，在超過60,000次循環(huán)測試后具有出色的穩(wěn)定性。由于碳基導(dǎo)電材料的頻率響應(yīng)特性，該傳感器可以檢測從低到高頻(0.5 ~ 900 Hz)的振動信號？捎糜趯(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動的實(shí)時(shí)監(jiān)測和健康疾病診斷。同時(shí)也可用于工程結(jié)構(gòu)的振動檢測和設(shè)備的無損檢測。此外，氣凝膠獨(dú)特的內(nèi)部層-分支多孔結(jié)構(gòu)，加上PDMS的引入，提供了出色的隔熱和疏水性(水接觸角119，使其能夠承受高低溫操作環(huán)境(-40至80℃)。憑借這些特點(diǎn)，這種氣凝膠在各種領(lǐng)域顯示出巨大的潛力，包括可穿戴設(shè)備，電子皮膚和工程應(yīng)用等。


  該研究以題為“Multifunctional, Superelastic, and Environmentally Stable Sodium Alginate/MXene/Polydimethylsiloxane Aerogels for Piezoresistive Sensor”的論文發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。文章第一作者是福州大學(xué)機(jī)械學(xué)院-中科院福建物構(gòu)所聯(lián)合培養(yǎng)博士韓松久。通訊作者為中科院福建物構(gòu)所的黃建仁博士和官輪輝研究員。


  該工作得到國家自然科學(xué)基金的資助。福州大學(xué)機(jī)械學(xué)院楊曉翔教授對該研究提供了幫助和指導(dǎo)。


  該工作是官輪輝研究員團(tuán)隊(duì)近年來在多功能納米復(fù)合材料的制備及應(yīng)用與柔性可穿戴電子器件的設(shè)計(jì)及制造的相關(guān)研究中取得的進(jìn)展之一。團(tuán)隊(duì)從復(fù)合材料的傳感特性研究及多物理量響應(yīng)機(jī)理分析出發(fā)（J. Mater. Chem. A 2021, 9, 23243.）,通過多尺度的彈性體的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)及規(guī)；瘋鞲衅麝嚵屑庸ぶ圃扉_發(fā)了一系列可穿戴和功能器件（J. Mater. Chem. A 2023, 4977.；Mater. Horizons., 2023, 10, 1012；Chem. Eng. J. 2022, 454, 140328；Advanced Science, 2023: 2301116），利用先進(jìn)集成工藝實(shí)現(xiàn)了基于柔性功能元件與儲能器件的自供能傳感系統(tǒng)的開發(fā)（Mater. Horizon., 2020, 7, 2085-2096；；J. Mater. Chem. A., 2021, 9, 16345-16358；Adv. Funct. Mater., 2022, 2205708）。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144551


  官輪輝研究員課題組網(wǎng)站：https://www.x-mol.com/groups/Guan_lunhui

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