碳材料+熱塑性彈性體=高性能傳感器

自壓阻式傳感器問世以來，其作為一種關(guān)鍵的工程工具在工業(yè)應(yīng)用以及人們?nèi)粘Ｉ钪衅鸬搅瞬豢商娲淖饔谩Ｄ壳?，在汽車、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的壓阻式傳感器主要基于材料體系機械應(yīng)力或應(yīng)變變化來實現(xiàn)電信號收集、分析。但是，傳統(tǒng)的基于金屬或半導(dǎo)體材料體系的商業(yè)化壓阻式傳感器在實際應(yīng)用過程中暴露出偏低的應(yīng)變靈敏度因數(shù)及低可拉伸（柔性）的局限性。開發(fā)大幅度可壓縮/拉伸、質(zhì)輕、高靈敏度的新型壓阻傳感器件在人體健康監(jiān)護(hù)、軟體機器人以及機械、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有迫切的應(yīng)用需求。

近日，葡萄牙米尼奧大學(xué) P. Costa等研究者以熱塑性彈性樹脂與不同納米碳材料復(fù)合簡便構(gòu)筑了高性能壓阻式聚合物基傳感器件。GO/SEBS及rGO/SEBS傳感器件具有高應(yīng)變靈敏度，在10%應(yīng)變條件下應(yīng)變系數(shù)從15提升至120。同時，聚合物-碳材料復(fù)合傳感器件在手指運動監(jiān)測等方面展現(xiàn)出卓越的實用性。

聚合物-碳材料復(fù)合傳感器件構(gòu)筑過程示意圖。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

研究團隊以熱塑性彈性體苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯聚合物 (SEBS) 為柔性樹脂基體，以氧化石墨烯 (GO)、還原氧化石墨烯 (rGO) 及石墨烯納米片 (G-NPLs) 納米碳材料為導(dǎo)電功能填料，以環(huán)戊基甲醚（CPME）為溶劑，通過澆鑄工藝大面積制備新型壓阻式傳感器。該工藝可進(jìn)一步拓展至印刷工藝，適于工業(yè)化生產(chǎn)。

復(fù)合材料體系形貌表征。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

復(fù)合材料體系表面及橫截面SEM表征顯示，SEBS與納米碳材料具有優(yōu)異的相容性；隨著GO、rGO及G-NPLs含量增加，樹脂體系呈現(xiàn)輕微的納米碳材料團聚，至添加量達(dá)6 wt %（為該體系最大添加量）復(fù)合體系開始呈現(xiàn)少量孔洞缺陷。FTIR分析表明GO/rGO與SEBS在復(fù)合過程無新共價鍵形成。TGA熱分析表明復(fù)合體系具有優(yōu)異的耐熱性，不同復(fù)合體系熱分解溫度＞350℃。在機械性能方面，隨著納米碳材料添加量增加，體系機械強度(模量)逐步增加、柔性輕微下降，但復(fù)合體系整體可拉伸率＞100%。

復(fù)合體系組成結(jié)構(gòu)、耐熱性以及機械性能表征。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

在低添加量條件下，rGO/SEBS、GO/SEBS復(fù)合體系導(dǎo)電性能與其他復(fù)合體系導(dǎo)電性能類似；隨著納米碳材料添加量增加，體系導(dǎo)電性逐步增加；rGO/SEBS體系rGO含量2 wt%時，體系達(dá)到滲流閥值；而G-NPL/SEBS體系G-NPL含量達(dá)6 wt%時，體系才形成相互連接的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

納米碳材料添加量對體系導(dǎo)電性能的影響。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

對于添加量為4 wt%的GO/SEBS及rGO/SEBS體系展現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)變靈敏度及循環(huán)形變性能穩(wěn)定性，在10%應(yīng)變條件下應(yīng)變系數(shù)從15提升至120且1000次循環(huán)拉伸后器件性能穩(wěn)定。

復(fù)合體系壓阻特性表征。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

在實際應(yīng)用方面，在5 V工作電壓條件下該復(fù)合材料傳感器件能夠?qū)崟r監(jiān)測人體不同指關(guān)節(jié)不同幅度、頻率的運動。結(jié)合其原料來源廣泛性及制備步驟的簡便性，該復(fù)合材料傳感器件適于可穿戴電子傳感器件的商業(yè)化制備及臨床應(yīng)用。

新型傳感器件人體指關(guān)節(jié)運動監(jiān)測。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

總結(jié)

在高分子材料中聚合物彈性體基于其卓越的柔韌性成為柔性功能器件領(lǐng)域廣泛采用的樹脂基體。該研究基于SEBS樹脂體系復(fù)合納米碳材料用于高性能壓阻式傳感器件構(gòu)筑，方法簡便、制備成本低、器件性能及穩(wěn)定性優(yōu)異，且適于傳統(tǒng)澆鑄成型工藝及印刷工藝，具有極大地商業(yè)化開發(fā)前景。

原文（掃描或長按二維碼，識別后直達(dá)原文頁面，或點此查看原文）：

Highly Sensitive Piezoresistive Graphene-Based Stretchable Composites for Sensing Applications

P. Costa*, S. Gon?alves, 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

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