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浙江农林大学研发木质基水凝胶压力传感器

来源:高分子科学前沿  2020-09-17

大自然的神奇杰作值得科学家们用一辈子的时间来研究,这些神工鬼斧一般的精巧结构,往往是我们的灵感来源。木材是我们生活中最普通,最常见的材料之一,令人意外的是,这种材料竟然也能用来制作传感器。

最近,浙江农林大学孙庆丰与沈晓萍等人的研究发现,在水凝胶的合成中,利用脱木素后木材天然的纤维素排列结构,往往能起到增强力学性能的效果,并且这种木质基水凝胶还拥有木材的各向异性。再通过引入离子导电聚电解质,对于柔性电容式传感器(CPS)而言,这种复合材料便能够同时充当其隔膜和聚电解质,在人机界面等方面有很大的应用潜力。


多种化学键加强结构:

以聚丙烯酸(PAA)水凝胶为例,木材纤维素和水凝胶之间主要是通过氢键作用相互连接。PAA前驱溶液渗透到脱木素后木材的丰富孔道中,相互形成很强的三维空间交联,聚合之后又添加了铝离子,能够和PAA发生螯合作用,并且带来了离子导电性能。


木材基水凝胶传感器(CPS)结构以及内部交联机理


木材基水凝胶三切面电镜图

对比普通PAA水凝胶,在拉伸方面,木质基水凝胶变得非常坚韧,这点很像木材。而木质基水凝胶的压缩性能,也在横向、径向、弦向三个方向大为不同,如同木材的各向异性。


木质基水凝胶的轴向拉伸以及三切面方向压缩性能测试

由于杨木早晚材处理后孔道数量分布的影响,木质基水凝胶弦切向会拥有更多层次的PAA填充,因此压缩回弹性能更加优秀。


木质基水凝胶三切面方向压缩机理图

材料不同截面的利用:

这种木质基水凝胶不同方向的切片,柔性是不同的,作为CPS的装配材料,他们研究了以其径切面和弦切面为介电层制作的电容传感器,其电极一端是褶皱化处理的氧化还原石墨烯薄膜(rGO)。


rGO电极表面3D显微镜图和原子力电镜图

弦切面由于拥有木质基水凝胶中最为优异的压缩回弹性能,因此获得的CPS灵敏性能也最为优秀。


径切向、弦切向水凝胶切片组装CPS性能图

研究者还展示了一些CPS的应用场景模拟,以及良好的稳定性测试结果。


CPS应用场景模拟图

这种各向异性的木材水凝胶成功地模拟了类似肌肉组织的机械性能和传感功能,与褶皱化rGO一起组装成的CPS拥有高灵敏性,宽量程以及良好的稳定性,开拓了木质基材料在传感器领域的研究思路,在人工智能的各个方面提供了应用潜力。

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