中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
當前，可穿戴電子產(chǎn)品、人機界面、智能檢測等領(lǐng)域對響應外部機械刺激并提供實(shí)時(shí)信息的壓力傳感器的需求越來(lái)越大。常見(jiàn)的壓力傳感器為電容式，且結構相對簡(jiǎn)單，由兩個(gè)平行導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(wèn)題。因此，亟需開(kāi)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(guò)程研究所等在木質(zhì)纖維綠碳緩沖材料研發(fā)的基礎上，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）纖維復合，構筑出綠色、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測等領(lǐng)域。
綠色超彈多孔材料的制備示意圖及綜合性能評估
該研究將紙漿纖維和聚乳酸纖維進(jìn)行復配調控，采用濕法發(fā)泡、離子交聯(lián)和常壓干燥的方法，開(kāi)發(fā)出具備超彈性的PLA@Pulp新型多孔材料。在成型過(guò)程中，聚乳酸纖維構建彈性骨架結構，微纖化的紙漿纖維填充其中并與聚乳酸纖維充分復合，增加纖維之間的纏繞程度，賦予彈性骨架更好的穩定性和機械強度；同時(shí)，分子層面的鈣離子交聯(lián)、氫鍵和靜電相互作用，賦予材料穩定的多孔網(wǎng)絡(luò )結構。該材料密度低、孔隙率高，具有定向的層狀結構，且大孔相互貫通，具備高達90%的壓縮應變。特別是在50%應變下，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)于已報道的木質(zhì)纖維紙漿泡沫材料，展現出優(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定性和應用穩定性，并可以循環(huán)回收利用和生物降解。
得益于PLA@Pulp多孔材料的超彈結構、非導電性和低介電常數，科研人員將該材料作為介電層應用于電容式壓力傳感器，實(shí)現了接觸式和非接觸式傳感。研究顯示，該材料在0至21.7 kPa工作壓力范圍內的響應靈敏度達0.16 kPa?1，滿(mǎn)足實(shí)際應用要求?！皳u籃到大門(mén)”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?jì)H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，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、監測器件等先進(jìn)應用領(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)院國際伙伴計劃等的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202423122
