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碳材料+热塑性弹性体=高性能传感器
发布:Iron_MAN10   时间:2020/1/19 8:55:58   阅读:422 
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自压阻式传感器问世以来,其作为一种关键的工程工具在工业应用以及人们日常生活中起到了不开替代的作用。目前,在汽车、航空航天、生物医学等领域广泛应用的压阻式传感器主要基于材料体系机械应力或应变变化来实现电信号收集、分析。但是,传统的基于金属或半导体材料体系的商业化压阻式传感器在实际应用过程中暴露出偏低的应变灵敏度因数及低可拉伸(柔性)的局限性。开发大幅度可压缩/拉伸、质轻、高灵敏度的新型压阻传感器件在人体健康监护、软体机器人以及机械、医学领域具有迫切的应用需求。

近日,葡萄牙米尼奥大学 P. Costa等研究者以热塑性弹性树脂与不同纳米碳材料复合简便构筑了高性能压阻式聚合物基传感器件。GO/SEBS及rGO/SEBS传感器件具有高应变灵敏度,在10%应变条件下应变系数从15提升至120。同时,聚合物-碳材料复合传感器件在手指运动监测等方面展现出卓越的实用性。
 

聚合物-碳材料复合传感器件构筑过程示意图。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces

研究团队以热塑性弹性体苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯聚合物 (SEBS) 为柔性树脂基体,以氧化石墨烯 (GO)、还原氧化石墨烯 (rGO) 及石墨烯纳米片 (G-NPLs) 纳米碳材料为导电功能填料,以环戊基甲醚(CPME)为溶剂,通过浇铸工艺大面积制备新型压阻式传感器。该工艺可进一步拓展至印刷工艺,适于工业化生产。
 

复合材料体系形貌表征。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces

复合材料体系表面及横截面SEM表征显示,SEBS与纳米碳材料具有优异的相容性;随着GO、rGO及G-NPLs含量增加,树脂体系呈现轻微的纳米碳材料团聚,至添加量达6 wt %(为该体系最大添加量)复合体系开始呈现少量孔洞缺陷。FTIR分析表明GO/rGO与SEBS在复合过程无新共价键形成。TGA热分析表明复合体系具有优异的耐热性,不同复合体系热分解温度>350℃。在机械性能方面,随着纳米碳材料添加量增加,体系机械强度(模量)逐步增加、柔性轻微下降,但复合体系整体可拉伸率>100%。
 

复合体系组成结构、耐热性以及机械性能表征。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces

在低添加量条件下,rGO/SEBS、GO/SEBS复合体系导电性能与其他复合体系导电性能类似;随着纳米碳材料添加量增加,体系导电性逐步增加;rGO/SEBS体系rGO含量2 wt%时,体系达到渗流阀值;而G-NPL/SEBS体系G-NPL含量达6 wt%时,体系才形成相互连接的导电网络。
 

纳米碳材料添加量对体系导电性能的影响。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces

对于添加量为4 wt%的GO/SEBS及rGO/SEBS体系展现出优异的应变灵敏度及循环形变性能稳定性,在10%应变条件下应变系数从15提升至120且1000次循环拉伸后器件性能稳定。
 

复合体系压阻特性表征。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces

在实际应用方面,在5 V工作电压条件下该复合材料传感器件能够实时监测人体不同指关节不同幅度、频率的运动。结合其原料来源广泛性及制备步骤的简便性,该复合材料传感器件适于可穿戴电子传感器件的商业化制备及临床应用。
 

新型传感器件人体指关节运动监测。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces

总结

在高分子材料中聚合物弹性体基于其卓越的柔韧性成为柔性功能器件领域广泛采用的树脂基体。该研究基于SEBS树脂体系复合纳米碳材料用于高性能压阻式传感器件构筑,方法简便、制备成本低、器件性能及稳定性优异,且适于传统浇铸成型工艺及印刷工艺,具有极大地商业化开发前景。

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b19294?ref=xmol):

Highly Sensitive Piezoresistive Graphene-Based Stretchable Composites for Sensing Applications
P. Costa*, S. Gonçalves, H. Mora, S. A. C. Carabineiro, J. C. Viana, S. Lanceros-Mendez*
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 46286-46295, DOI: 10.1021/acsami.9b19294


来源:X-MOL
 
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