四川大学傅强教授/邓华教授 CEJ：基于聚氨酯树枝状胶体的仿生涂层策略制备高性能多功能海绵

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最近，四川大学高分子学院傅强教授/邓华教授提出了一种将高含量碳纳米管(CNTs)牢固地涂覆在商用聚氨酯(PU)海绵表面的仿生涂层策略。研究团队采用湍流剪切沉淀技术制备了具有多重支化“核壳”结构的CNT/PU树枝状胶束仿生涂层，并将其涂敷在PU海绵的表面得到多功能海绵（CNT/PU@PU）。与传统的涂层方法相比，表面包裹CNTs的树枝状PU胶束有效提升了CNTs与PU海绵之间的亲和力，从而在PU海绵的表面形成了连续、致密的CNTs层。该CNT/PU@PU海绵具备优异的电磁屏蔽性能（SSE/t ≈22316 dB·cm²·g⁻¹）、超高的应变传感能力（S = 16.17 kPa^-1），并在湿-电转换设备和自供电传感器方面展示了一定的应用潜力。

图1 CNT/PU@PU海绵的扫描电镜图。

低成本、高生产效率的涂层技术是制备多功能海绵的常用且有效的方法。功能多孔海绵的涂覆策略包括：直接填料涂覆和溶液(包括填料/表面活性剂和填料/聚合物混合溶液)浸渍。直接填料涂覆过程中，纳米填料与海绵间的亲和力较差，使得涂层往往容易在使用过程中脱落。溶液浸渍过程中，也存在着填料被聚合物包覆导致填料功能性降低的问题。此外，受限于填料的团聚以及填料与海绵间的亲和力不佳，涂层中填料的含量难以进一步提升。针对上述问题，本文提出采用湍流剪切沉淀技术制备了具有多重支化“核壳”结构的CNT/PU树枝状胶束仿生涂层，并将其涂敷在PU海绵的表面而得到多功能海绵（CNT/PU@PU）。商用的PU海绵具有表面光滑的三维骨架结构。而经过CNT/PU树枝状胶束涂覆后，PU海绵骨架表面形成了一层粗糙的、致密的、厚度约为2~3 μm的CNT/PU层（如图1）。反观其他涂覆手段则很难再在PU海绵表面实现连续且致密的CNTs网络。

图2 CNT/PU@PU海绵的电磁屏蔽性能。

得益于CNTs的高导电性、独特的“核壳”结构设计和树枝状胶束的强大亲和力，CNT/PU@PU海绵展示了优异的电磁屏蔽性能，并且实现了对酸碱、水洗、压缩等不同环境的强大适应能力（如图2）。压缩过程中，导电率的增大与孔隙率的降低相互竞争，完成了CNT/PU@PU海绵电磁屏蔽机理从“吸收”主导到“反射”主导的转变。

实验还对CNT/PU@PU海绵的应变传感性能进行了系统的研究。当压力达到300 kPa时，该海绵在电阻仅为0.2 Ω下实现了超高的灵敏度（S = 16.17 kPa^-1），这高于目前众多的文献报道。此外，测试还表明CNT/PU@PU海绵展现了良好的循环稳定性和对不同压力的识别能力。

图3 CNT/PU@PU海绵的应变传感性能。

最后，他们还将CNT/PU@PU海绵应用到了新兴的发电设备（湿-电转换，MEET）和自供电传感器中（如图4）。利用多孔海绵的吸水能力和CNTs与水分子间的相互作用，该MEET设备成功达到了0.25 V的开路电压和6.91 μW的最大功率。通过把MEET设备与另一块CNT/PU@PU海绵进行串联，并监测系统中的电流变化，制备了一种新型的自供电传感器。该自供电传感器具备对应变和溶剂等多重感官的识别能力。这项工作为多功能海绵的制备提供了新的策略，在可穿戴设备、电子皮肤和自供电设备中具备广阔的应用潜力。

图4 CNT/PU@PU海绵的湿-电和自供电性能。

相关研究成果以“The Preparation of High Performance Multi-functional Porous Sponge Through a Biomimic Coating Strategy Based on Polyurethane Dendritic Colloids”发表在《Chemical Engineering Journal》期刊上，四川大学高分子科学与工程学院博士研究生张学忠为本文第一作者，邓华教授为本文通讯作者。感谢国家自然科学基金（No. 51922071）对本工作的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135659

来源：FQ课题组

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