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四川大學雷景新教授、江亮副研究員《Adv. Sci.》：醇溶聚氨酯構(gòu)建可打印、可回收、超快速響應的電容傳感器
2024-10-19  來源：高分子科技

  柔性電子器件是下一代智能的、主動的人機交互設備系統(tǒng)的重要組成單元，它可以將外界信號轉(zhuǎn)換為電信號進而直觀的顯示出來。高分子材料，具有力學性能大范圍可調(diào)節(jié)、易賦予功能和生產(chǎn)耗能低等優(yōu)勢，能夠輕松地整合柔性和導電性。這一優(yōu)點是傳統(tǒng)剛性傳感系統(tǒng)無法實現(xiàn)的，因此其成為了柔性電子器件的重要組成部分。但是，柔性電子設備壽命較短，如何解決產(chǎn)生的大量電子垃圾（e-waste）是亟待解決的問題。


  近期，四川大學高分子研究所、高分子材料工程國家重點實驗室（四川大學）的雷景新教授團隊研制出了一種室溫可醇類溶劑回收的聚氨酯彈性體（SPPUs），其強度和韌性高可達約60 MPa和360 MJ m?3，還可以在室溫下以乙醇為綠色溶劑完全回收（如圖1a所示）。另外，通過將乙醇溶解的SPPUs溶液與鎳（Ni）粉末混合制成SPPU-Ni復合材料，能有效地將SPPUs的柔韌性和可回收性與Ni粉填料的導電性相結(jié)合，構(gòu)建出可打印、可回收、超快速響應的電容傳感器（如圖1d所示）。


圖 1. (a) SPPUs 的合成及其氫鍵相互作用的示意圖。(b) 高透光性薄膜圖片。(c) 受阻氫鍵相互作用示意圖。(d) 電容式傳感器回收過程示意圖。


  值得注意的是，這項工作通過使用絲網(wǎng)印刷技術將SPPUs-Ni漿料的漿料轉(zhuǎn)錄到PET薄膜和紙張上，開發(fā)了可印刷的電容式傳感器（PCB），利用不同物體介電常數(shù)的差異以及與PCB接觸面積的變化，傳感器還可以根據(jù)不同物體產(chǎn)生的不同信號實現(xiàn)物體識別。所設計的PCB具有快速響應時間≈50 ms，具備高分辨率和多信號識別能力（如圖2所示）。


圖 2. (a) 電容式傳感器的傳感原理示意圖。(b) PCBS 在觸摸時的響應和恢復時間。(c) 電容響應與手指數(shù)量的函數(shù)關系。(d) 電容響應與觸摸頻率的關系。(e) 代表每個字母的摩爾斯電碼表。(f) 介紹將觸摸信號轉(zhuǎn)換為電信號(“S”、“C”和“U”) 的 PCBS。(g) PCBS 在空氣中的儲存穩(wěn)定性（48 h）和耐水性（浸入水中5 min）。(h) 電容響應與水滴數(shù)的函數(shù)關系。


  此外，值得注意的是，SPPUs和Ni粉末只需將廢棄的SPPU-Ni復合材料溶解在乙醇中即可完全回收，回收后制得的電容式傳感器PCB的傳感性能與回收前保持一致。此外，還可以回收SPPUs基材和導電Ni粉填料，這項工作為可回收柔性電子產(chǎn)品中日益嚴重的電子垃圾問題提供了一個可持續(xù)的解決方案（如圖3所示）。


圖 3. (a) 電容基傳感器回收示意圖。(b) 乙醇溶劑中的回收（左）和在水中的穩(wěn)定性（右）。(c) 回收前后 PCBS 傳感性能的比較。(d) Ni 粉末回收前后的 SEM 圖像。


  研究成果以“Hindered Hydrogen Bonding-Based Enabling of High-Strength, Alcohol-Soluble SPPUs for Printable, Recyclable, Ultra-Fast Response Capacitive Sensors”為題發(fā)表在《Advanced Science》（doi.org/10.1002/advs.202405941）上。論文第一作者為四川大學碩士研究生陳興寶，通訊作者為四川大學雷景新教授和江亮副研究員。本工作得到了中國博士后面上基金（2022M722238）、四川省青年科學基金（2023NSFSC0984）、四川大學博士后基金（2023SCU12026）和四川省先進建筑材料產(chǎn)教融合創(chuàng)新示范平臺等項目的資助支持。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202405941

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（責任編輯：xu）
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