中國(guó)科學(xué)院成功制備高韌性和低溫快速自愈合能力的傳感器材料

柔性傳感器是可穿戴電子設(shè)備的核心部件之一。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，柔性傳感器越來(lái)越受到關(guān)注。但是，柔性傳感器材料在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中面臨環(huán)境溫度的制約。例如，當(dāng)前所報(bào)道的彈性體基底材料因具有較低的動(dòng)態(tài)特性使得所組裝傳感器的低溫自愈合性能較差，因此亟需提升柔性應(yīng)變傳感器材料在低溫應(yīng)用環(huán)境中的快速自愈合能力。

近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王金清研究員課題組在實(shí)現(xiàn)室溫快速自愈合聚氨酯彈性體的工作基礎(chǔ)上,采用二元協(xié)同交聯(lián)策略(圖1)，首先將甲苯二異氰酸酯封端的聚丙二醇(PPG)引入到改性聚二甲基硅氧烷(PDMS)骨架中，獲得了具有高動(dòng)態(tài)特性的PPG-PDMS配體;隨后，將雙氫鍵和鋅配位鍵引入到PPG-PDMS配體中，成功制備了具有高韌性和低溫快速自愈合能力的PPG-PDMS-Zn超分子彈性體材料。

圖1. 低溫下可自愈合的PPG-PDMS-Zn彈性體

該材料在溫度低至-20℃的環(huán)境中8小時(shí)后的自愈合效率高達(dá)98%(圖2)，這主要是由于PPG鏈段的引入可以顯著降低聚合物的交聯(lián)密度，促使分子鏈快速遷移到斷裂界面進(jìn)行自愈合，而鋅配位鍵獨(dú)特的動(dòng)態(tài)交換特性和氫鍵的低溫抑制解離效應(yīng)可有效增強(qiáng)聚合物網(wǎng)絡(luò)的低溫自愈合能力。將該彈性體材料用于多功能涂層時(shí)其表現(xiàn)出優(yōu)異的防結(jié)冰特性。相關(guān)工作近期在線發(fā)表于Chemical Engineering Journal(2020, 398, 125593)期刊上。論文第一作者是在讀博士研究生吳獻(xiàn)章，王金清研究員和李章朋所特聘青年研究員為共同通訊作者。

圖2. PPG-PDMS-Zn彈性體在低溫下的自愈合過(guò)程

另外，該課題組在三維石墨烯柔性傳感材料設(shè)計(jì)制備及柔性應(yīng)變(摩擦)傳感器件組裝方面也取得系列進(jìn)展。

研究人員將氧化石墨烯與導(dǎo)電聚合物、生物質(zhì)葡甘露聚糖或碳納米管等進(jìn)行復(fù)合，制備了結(jié)構(gòu)長(zhǎng)程有序、高導(dǎo)電性和密度可調(diào)的三維石墨烯復(fù)合材料。利用該類材料所組裝的柔性應(yīng)變傳感器的靈敏度得到顯著提升，可實(shí)現(xiàn)對(duì)人類面部表情、脈搏跳動(dòng)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等生理信號(hào)的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)測(cè)量和監(jiān)控。同時(shí)，受人類指尖觸覺傳感功能的啟發(fā)，研究人員通過(guò)巧妙的傳感陣列設(shè)計(jì)，組裝得到的摩擦傳感器可對(duì)物體表面的粗糙度、硬度等信息進(jìn)行有效區(qū)分和識(shí)別(圖3)。

圖3. 模擬人類指尖傳感功能的摩擦傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面粗糙度的檢測(cè)

相關(guān)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、蘭州化物所和固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)研究等項(xiàng)目的支持。