暨南大学刘明贤教授团队 ACS Sustain. Chem. Eng.: 橡胶基多功能柔性传感器

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柔性传感器是能够弯曲或折叠的设备，可将外部刺激如形变、温度、湿度、压力等转换为电信号输出。近年来，随着人工智能技术的飞速发展，柔性传感器被广泛应用于各个领域，如温度检测、湿度监测、人体运动检测和发电等。柔性传感器因其可恢复性、重量轻、灵活性高而备受青睐。但由于制备工艺复杂、稳定性低、导电性差、成本高等缺点，柔性传感器的实际应用受到了一定的限制。因此，探索出一种制备简单、成本低、稳定性好的多功能柔性传感器具有至关重要的意义。

近日，暨南大学化学与材料学院刘明贤教授团队提出利用表面涂敷技术将墨水碳纳米颗粒(ICN)与PVA水性胶组装到天然橡胶乳胶手套上，从而制备了橡胶基多功能柔性传感器(图1)。该工作发表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering(中科院分区：一区，影响因子：8.198)，题目为“High-performance Sensors Based on Chinese Ink and Water-based Glue for Detection of Strain, Temperature and Humidity”。论文第一作者为2019级本科生刘邦汉，刘明贤老师为论文唯一通讯作者。

图1.多功能柔性传感器的制备以及应用领域

墨水/胶水复合材料展现了优异的导电性。研究发现，当墨水与胶水的质量比为1:1时，墨水/胶水复合材料的电导率为0.064 s/m。当二者质量比增加到3:1时，复合材料的电导率迅速增加，其电导率达到2.52 s/m。这表明ICN具有良好的电导率以及ICN在复合材料中具有良好的界面相互作用。

图2. 墨水/胶水复合材料的结构表征和导电性。

传感器能够保持应变下信号响应的稳定性。在25%到150%的应变下传感器均能保证良好的信号输出。在500次动态拉伸-收缩循环后，传感器仍能够稳定地输出电信号响应。传感器的电阻变化与应变近似呈现出二次函数的关系(图3D)，GF(gauge factor)与应变成正比，与GF的计算公式(GF=(∆R/R₀)/ε)保持一致。同时在轻压传感器时，传感器依然能够捕捉这种由按压导致的微小形变。柔性传感器表现出响应时间和回复时间相同的特点，这表明该传感器具有快速响应能力，可应用于实际应变检测。

图3. 传感器的动态拉伸循环响应

基于出色的导电性和结构稳定性，传感器可以在不同领域中对环境变化做出监测。如监测人体的日常关节运动(点头、行走、手指弯曲、手腕弯曲、肘部弯曲等)，以及微小的人体运动如呼吸、发音、面部微表情变化(图4)。传感器还能捕捉到环境湿度变化而做出信号响应(图5)。当湿度传感器靠近和远离加湿器时由于传感器周围湿度的不同，传感器的电阻也因此增大或减小；同时随着加湿器功率的调节，传感器所输出的∆R_max/R₀信号也与功率满足线性关系。传感器的湿度检测能力可归因于水蒸汽进入和逸出ICN导电网络时电阻可逆的变化。传感器另一个应用是监测环境温度的变化(图6)。在15℃-90℃的温度范围内传感器的电阻随温度的增加而逐渐减小，且温度-电阻复合线性关系。同时，温度传感器具有良好的耐寒性。当传感器置于液氮中并恢复至室温后，温度传感器仍能保持良好的导电性。与湿度传感机理类似，当环境温度升高时，导电网络因受热而收缩，因此电阻变小。

图4. 人体运动和发音的监测

图5.  传感器对湿度检测。

图6.  传感器用于温度检测。

总之，本工作成功地采用表面渗透技术制备了具有多种检测功能的天然橡胶柔性传感器。传感器的出色稳定性使其可用于检测各种类型的人体运动，如行走和肘部弯曲等大型人体运动，以及呼吸和发音等微小人体运动。此外，墨水/胶水/天然橡胶传感器对温度、湿度和压力的监测可用于特殊任务，如环境勘测、地震预防等。本工作开发的墨水/胶水/天然橡胶传感器具有稳定性好、价格低、易于功能化的优点，这为人类可穿戴设备市场提供了一个平台。用于制备传感器的墨水和PVA胶水的原料便宜且容易获得，这为柔性可穿戴设备的工业化提供了光明的前景。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.1c07174

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