【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】當(dāng)前，可穿戴電子產(chǎn)品、人機(jī)界面、智能檢測等領(lǐng)域?qū)憫?yīng)外部機(jī)械刺激并提供實(shí)時(shí)信息的壓力傳感器的需求越來越大。常見的壓力傳感器為電容式，且結(jié)構(gòu)相對簡單，由兩個(gè)平行導(dǎo)電電極板和中間的彈性介電層組成。其中，彈性介電層所用材料包括聚烯烴、聚氨酯、聚酰胺和聚二甲基硅氧烷泡沫等。這些石化基材料存在原材料不可再生、產(chǎn)品不可生物降解、易造成環(huán)境污染等問題。因此，亟需開發(fā)可生物降解的綠色、超彈新材料。
近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所等在木質(zhì)纖維綠碳緩沖材料研發(fā)的基礎(chǔ)上，利用濕法發(fā)泡和離子交聯(lián)策略，將紙漿(Pulp)纖維和聚乳酸(PLA)纖維復(fù)合，構(gòu)筑出綠色、超彈新材料。這一材料可作為介電層，用于超彈壓力傳感和智能監(jiān)測等領(lǐng)域。
該研究將紙漿纖維和聚乳酸纖維進(jìn)行復(fù)配調(diào)控，采用濕法發(fā)泡、離子交聯(lián)和常壓干燥的方法，開發(fā)出具備超彈性的PLA@Pulp新型多孔材料。在成型過程中，聚乳酸纖維構(gòu)建彈性骨架結(jié)構(gòu)，微纖化的紙漿纖維填充其中并與聚乳酸纖維充分復(fù)合，增加纖維之間的纏繞程度，賦予彈性骨架更好的穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度；同時(shí)，分子層面的鈣離子交聯(lián)、氫鍵和靜電相互作用，賦予材料穩(wěn)定的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該材料密度低、孔隙率高，具有定向的層狀結(jié)構(gòu)，且大孔相互貫通，具備高達(dá)90%的壓縮應(yīng)變。特別是在50%應(yīng)變下，經(jīng)30000次壓縮回彈后，該材料仍能夠保持91%的原始高度，優(yōu)于已報(bào)道的木質(zhì)纖維紙漿泡沫材料，展現(xiàn)出優(yōu)異的超彈性能。同時(shí)，這一材料具備寬溫度、寬濕度范圍的尺寸穩(wěn)定性和應(yīng)用穩(wěn)定性，并可以循環(huán)回收利用和生物降解。
得益于PLA@Pulp多孔材料的超彈結(jié)構(gòu)、非導(dǎo)電性和低介電常數(shù)，科研人員將該材料作為介電層應(yīng)用于電容式壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了接觸式和非接觸式傳感。研究顯示，該材料在0至21.7 kPa工作壓力范圍內(nèi)的響應(yīng)靈敏度達(dá)0.16 kPa-1，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。“搖籃到大門”生命周期評價(jià)顯示，制備1公斤綠色超彈材料的CO2排放量僅為1.04公斤，且其環(huán)境毒性低于石化基泡沫材料。同時(shí)，該綠色超彈材料的制備成本與聚氨酯泡沫相當(dāng)，低于聚酰胺和聚二甲基硅氧烷泡沫。
這一新材料有望替代石化基泡沫材料，用于智能壓力傳感、監(jiān)測器件等先進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院國際伙伴計(jì)劃等的支持。
綠色超彈多孔材料的制備示意圖及綜合性能評估
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