JMCA:納米複合導電水凝膠基柔性應力應變傳感器研究進展

2020-09-12 先進材料科訊

研究成果

研究成果

天津大學化工學院Fanglian Yao和Junjie Li教授課題組在國際期刊Journal of Materials Chemistry A上發表題為「Nanocomposite hydrogel-based strain and pressure sensors: a review」的綜述論文。


要點

近年來,柔性可穿戴電子產品因其在可穿戴設備、儲能器件、電子皮膚和傳感器等領域的潛在應用而引起了廣泛的研究興趣。與彈性體相比,水凝膠由於其仿生結構、匹配的機械性能和出色的生物相容性而在柔性電子產品中顯示出更大的潛力。在所有材料設計中,基於納米複合水凝膠的應變和壓力傳感器具有優異的機械強度、高電導率和出色的靈敏度,可以將外部刺激傳遞給電信號,因此受到了廣泛的研究。


大量paper致力於納米複合水凝膠的設計,製備和應用。這篇綜述主要探討了:

(1) 基於納米複合水凝膠的應變和壓力傳感器的最新研究進展,包括碳納米管基、氧化石墨烯基、MXene基、聚合物基和其他納米填料基的五種納米填料的水凝膠傳感器的設計策略,製備方法和應用。

(2) 詳細討論了一些代表性工作,並分別討論其製備優缺點。

(3) 最後,提出了未來基於納米複合水凝膠的應變和壓力傳感器設計的觀點和挑戰。


圖文速覽


圖1基於納米複合水凝膠的應力應變傳感器的五類示意圖及其應用。


圖2碳納米管基納米複合水凝膠。(a)貽貝啟發的PDA裝飾的CNTs誘導的PAAM-PAA導電水凝膠具有抗凍性和粘合性。Wiley-VCH版權所有2017。(b)摻入PAAM水凝膠的明膠官能化CNT作為堅韌和可拉伸的應變傳感器。版權所有2019,Elsevier。(c)SDS輔助的碳納米管結合在HAPAM水凝膠中,作為高度敏感的應變和壓力傳感器。美國化學會版權所有2020。


圖3 GO基納米複合水凝膠。(a)完全物理交聯的PAA-殼聚糖-GO導電水凝膠,具有高拉伸強度,抗凍和自愈特性。皇家化學學會2019年版權所有。(b)具有導電性,粘附性和自愈性的PDA功能化的部分還原GO結合的PAM水凝膠。版權所有2016,Wiley-VCH。(c)親水性,導電性和氧化還原活性的三明治狀PSGO-PEDOT納米片的示意圖,並將其結合到基於水凝膠的可拉伸粘性傳感器中。版權所有2016,Wiley-VCH。(d)具有導電性和自愈性的GO增強和Ca2 +交聯的DN水凝膠的製備工藝及其作為電子鼻的應用。皇家化學會2019年版權所有。


圖4 MXene基納米複合水凝膠。 (a)可拉伸、可自修復的MXene-PVA水凝膠,具有高度可拉伸(> 3400%)和自修復傳感器,規格係數為25。AAAS版權所有2018。(b)通過在二元溶劑下將MXene摻入PVA-PAAM水凝膠中來製備導電性和自修復MNOH,與MXene納米複合水凝膠(MNH)相比,它具有防幹抗凍性。Wiley-VCH版權所有2019。


圖5基於聚合物納米填料的納米複合水凝膠。 (a)協同「軟硬」分層PVA-PVP-CNCs水凝膠網絡結構及其在應變和壓力傳感器中的應用的示意圖。美國化學會2017年版權所有。(b)PB-Ag / TA @ CNC納米複合水凝膠的合成及其在電子皮膚和觸控螢幕筆中的應用。皇家化學會2019年版權所有。(c)具有多種傳感能力(包括應變,壓力和溫度)的PANi納米纖維誘導的PAA水凝膠及其在語音檢測中的應用。美國化學會2019年版權所有。


圖6其他基於納米填料的納米複合水凝膠。 (a)PEDOT:LAPONITE®摻入的PAAM水凝膠及其3-D列印能力。Copyright 2019,Wiley-VCH。(b)在甘油/水二元溶劑體系下在PAAM水凝膠中原位形成Au @ PDA納米顆粒。美國化學會2019年版權所有。


圖7用於人體運動感應的納米複合水凝膠。 (a)CNCs @ CNTs / HAPAM納米複合水凝膠和傳感器,以及在拉伸20 000次循環前後的缺口圖像。皇家化學會2020年版權所有。(b)通過將石墨烯摻入PAAm / PVP水凝膠中製備雙網狀導電水凝膠,以及水凝膠在人體運動傳感中的應用。美國化學會2018年版權所有。


圖8用於生理信號監測和電子皮膚的納米複合水凝膠。 (a)由無定形碳酸鈣(ACC)納米粒子組成的PAA /藻酸鹽水凝膠的示意圖,以及基於水凝膠的壓力傳感器的製造以及作為皮膚模擬傳感器的血壓檢測應用。Wiley-VCH版權所有2017。(b)通過使用具有核-殼分段構型和PAMPS-co-AAm / rGO納米複合水凝膠特性的水凝膠/熱致變色彈性體雜化纖維,可穿戴應變和溫度傳感器的示意圖。美國化學學會版權所有2020。


總結與展望


1、 納米複合水凝膠是下一代可穿戴設備和電子皮膚的理想材料。儘管研究取得了系列進展,但迄今為止尚未有商業化產品。

2、 在設計和製備納米複合水凝膠時應重點考慮靈敏度(由GF反映),同時要匹配好靈敏度與其他功能之間的平衡關係。

3、 對於水凝膠基傳感器,工作範圍是另一個重要參數。且大的工作範圍與抗疲勞性之間的矛盾也有待解決。

4、 機械性能對於基於水凝膠的傳感器也至關重要,仍然需要根據特定應用優化機械性能。

5、 對於可穿戴設備而言,環境穩定性和長期穩定性至關重要。人們迫切希望探索能夠在惡劣環境下正常工作而又不會破壞其內在性能的納米複合水凝膠。

6、 引入自我修復能將顯著提高納米複合水凝膠的壽命。

7、 大多數水凝膠的電導率(0.1–50 S m-1)遠遠落後於金屬(106 S m-1),因此應進一步提出一些策略,通過改善納米填料在水中的分散性來提高電導率。


因此,將所有引人入勝的功能(包括高電導率和靈敏度、機械韌性、工作範圍、環境穩定性和自修復等)整合到納米複合水凝膠中,將促進柔性應力應變傳感器的發展及其在柔性電子設備中的應用。總之,基於納米複合水凝膠的應變和壓力傳感器的未來主要在於導電填料的新穎設計和有效利用以及電導率、機械性能、功能性和穩定性之間的平衡。

文獻連結:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta06965e#!divAbstract

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