功能高分子/MXene基柔性力敏传感器的设计、制备与应用研究
随着科技的发展和人工智能的兴起，由柔性聚合物基体和导电敏感材料组成的柔性力敏传感器凭借其高柔韧性、可延展、便携性等优点，在电子皮肤、智能传感、人体运动检测、健康诊疗等领域表现出较大的应用潜力。但传统的柔性力敏传感器通常无法同时实现高检测灵敏度和宽压力/应变检测范围，同时还存在功能单一和佩戴舒适性差等缺点，这极大地限制了它们的实际应用。因此，发展具有优异传感性能的多功能型柔性力敏传感器具有重要的实际意义。本课题旨在通过开发新型导电纳米复合材料和多级结构设计制备具有优异传感性能的多功能柔性力敏传感器，并研究其作为可穿戴力敏传感器用于人体运动检测、健康诊疗、舒适佩戴、近红外光热升温、抑菌敷料等方面的应用。 (1)传统的应变传感器应变检测范围窄，应变检测灵敏度低，制备过程较为复杂，这些缺点限制了其在全尺度高灵敏人体运动监测方面的应用。受古代宫殿屋顶瓦片的分层堆叠结构启发，通过将少片层碳化钛(MXene)溶液和聚苯胺(PANIF)溶液在可拉伸弹性体基体上层层铺展，形成分层堆叠结构的MXene/PANIF传感层，通过组装最终得到具有仿瓦片分层堆叠式微观结构的柔性应变传感器。由于微裂纹扩散以及堆叠的MXene/PANIF片层的可逆滑移，这种类瓦片分层堆叠微观结构不仅可以扩大应变工作窗口，而且显著提高了传感器的灵敏度。该传感器具有较宽的应变检测范围（80％应变），高灵敏度（灵敏系数2369.1），超低检测下限（0.1538％应变）和出色的循环稳定性，它不仅可以精确地检测出人类的微小尺度运动（如脉搏、发声等）以及大尺度运动（如手指弯曲、曲肘等），还能与无线发射器进行耦合实现实时检测，在人体运动监测方面具有较高的潜在应用价值。此外，通过控制MXene与PANIF的复合比例可以对应变检测范围和灵敏度进行按需调控。该研究为可穿戴、高灵敏和宽检测范围的应变传感器的制备开创了新的道路。 (2)传统的柔性压力传感器通常以不透气的橡胶或致密的塑料薄膜为基体，该种基体的透气性和透湿性较差，因而难以实现与人体皮肤的紧密贴合，且极易造成皮肤不适和炎症。另外，以传统的不可降解聚合物为基体极易造成大量电子废弃垃圾和环境污染。为此，以具有生物相容性的、可降解性的丝素蛋白(SF)为基体，以MXene为传感活性材料，通过静电纺丝技术与丝网印刷技术，设计制备了一种可穿戴、可透气、可降解、高灵敏的全纤维结构的MXene/蛋白质基压力传感器。首先，通过丝网印刷将MXene油墨印刷在SF纳米纤维膜上制备柔性叉指电极，然后将表面包覆有MXene的SF纤维膜与印有MXene叉指电极的SF纤维膜以“面对面”方式组装成柔性压力传感器。借助纤维膜的微观粗糙起伏结构和叉指电极，该方法所制备的压力传感器具有宽的压力工作窗口(高达39.3kPa)，高灵敏度(1.4-15.7kPa，298.4kPa-1;15.7-39.3kPa，171.9kPa-1)，快速响应/恢复时间(7ms/16ms)，良好的透气性，超过10000次的循环稳定性以及良好的生物相容性和降解性能。该器件不仅可以用于检测人体运动并通过监测生命体征进行疾病诊断，还可以组装成阵列型电子皮肤用以检测触觉刺激并进行空间压力分布检测。该器件优异的传感、透气、降解性能使其有望成为可穿戴的健康诊疗型电子器件。 (3)常用的柔性应变传感器透气性差，极易造成热量堆积和皮肤炎症，且其功能单一，限制了其用于人体健康诊疗领域。因此，在静电纺丝制备的聚氨酯(PU)纳米纤维膜上通过原位生长包覆壳聚糖，并将MXene与银纳米线(AgNW)复合材料负载在PU纤维膜上，制备出一种可呼吸、高灵敏、宽应变检测范围、具有光热响应和抗菌功能的多功能的纤维基电子器件。该MXene/AgNW/PU(PMA)复合器件具有优异的应变传感性能，高达120％的应变检测范围和极高的灵敏度(～4720)，超低的实验检测下限（0.0645％应变）。另外，由于AgNW和MXene的协同效应，PMA传感器还具有优异的光热响应性能，在近红外光(NIR)的辐射下可实现35.9℃/(W/cm2)的光热升温速率。此外，纤维膜的多孔结构也赋予了器件优异的透气性，可以提高人体佩戴舒适性。最后，该器件还具有优异的生物相容性和抑菌性能，可以通过NIR辐照实现有效杀菌。综上，该传感器在人体运动及生理信号检测、辅助热疗、抑菌敷料等领域具有潜在的应用价值。
柔性力敏传感器;结构设计;制造工艺;灵敏度;检测范围
北京化工大学
博士
材料科学与工程
万鹏博
2021
中文
TP212.1
2021-09-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）