柚子皮碳气凝胶基柔性压力传感器的构建及性能研究

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柔性压力传感器具有结构简单、柔韧性高、便携性好等优点,在人体健康监测领域、电子皮肤及可穿戴设备领域极具研究前景。然而随着科技的发展,人们对压力传感器的传感材料、基底材料与传感性能的要求也越来越高。为了实现压力传感器在人体健康监测领域的大规模应用,必须要解决以下三个问题:一是传感材料(如石墨烯、碳纳米管、金属纳米材料)的制备成本高且不可再生;二是柔性基底材料的力学性能差、与人体皮肤的相容性不好,这会极大限制传感器的灵敏度与检出限;三是构建3D结构以提高压力传感性能的方法制备过程复杂且耗时长。本文针对这些问题,采用环境友好、成本低且来源广泛的生物质材料柚子皮碳气凝胶(C-GPA)作为导电材料,并充分发挥柚子皮碳气凝胶天然的三维多孔结构的优势;选择弹性模量高且与人体皮肤相容性好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚多巴胺-胺化木质素-聚丙烯酰胺(PDA-AL-PAM)水凝胶作为弹性基底。最后分别通过复合法与自由基反应制备出低成本、高灵敏度、宽检测范围的柔性压力传感材料并组装成柔性压力传感器。这将为柚子皮的高值化利用和新型压力传感器的构建提供新方法和新思路。主要研究结果如下所示:(1)通过水热处理与高温碳化工艺相结合制备出具有高导电性的三维多孔柚子皮碳气凝胶,并探究了水热与碳化处理对碳气凝胶形貌及孔径结构的影响以及碳化温度对材料石墨化程度和导电性的影响。测试结果表明经过水热与碳化处理后柚子皮碳气凝胶可以很好地保留其3D相互连通的网络结构,孔隙率高达93%,孔径主要分布在70μm。随着碳化温度由600℃上升到800℃,C-GPA的石墨化程度增加(ID/IG由0.89降低到0.68),导电性增强(电导率由0.0458 s/m提高到38.2 s/m)。(2)以PDMS为柔性基底材料,柚子皮碳气凝胶为导电材料,通过真空浸渍法制备出超弹性的PDMS/柚子皮碳气凝胶作为压力传感材料。测试结果表明,所制备的压力传感材料具有良好的导电性(电导率为1.47 s/m),优异的抗疲劳性(应变50%,10000次循环)、极宽的检测范围(0-800 k Pa)、超高的灵敏度(63.4 k Pa-1)、极短的响应时间(20 ms),在人体健康监测领域具有良好的应用前景。(3)通过胺化木质素(AL)诱导多巴胺(DA)缓慢氧化聚合,制备出PDA-AL预聚物,再将PDA-AL预聚物与丙烯酰胺单体混合,制备出PDA-AL-PAM凝胶溶液。将所制备凝胶溶液灌注到柚子皮碳气凝胶网络中,通过自由基聚合反应制备出多功能的PDA-AL-PAM/C-GPA复合水凝胶。测试结果表明,所制备复合水凝胶具有良好的导电性(电导率为1.9 s/m),还具有较强的粘附性(粘附强度为36 k Pa)、良好的生物相容性、明显的抗菌效果(抑菌圈为2.3 cm)以及极高的灵敏度(170 k Pa-1),可以直接粘附在人体皮肤上对人体微小运动进行监测。
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