可穿戴電子產(chǎn)品、人機(jī)界面、智能檢測等領(lǐng)域?qū)憫?yīng)外部機(jī)械刺激并提供實(shí)時(shí)信息的壓力傳感器的需求越來越大。常見的壓力傳感器為電容式，其結(jié)構(gòu)相對簡單，主要由兩個(gè)平行導(dǎo)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主要包括聚烯烴、聚氨酯（PU）、聚酰胺及聚二甲基硅氧烷（PDMS）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)境污染的問題。因此，開發(fā)可生物降解的綠色、超彈新材料對助力可持續(xù)發(fā)展意義重大。
近日，青島能源所系統(tǒng)集成工程中心木質(zhì)纖維綠碳材料項(xiàng)目部在木質(zhì)纖維綠碳緩沖材料研發(fā)的基礎(chǔ)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(fù)合，構(gòu)筑了一種綠色、超彈新材料，可作為介電層，用于超彈壓力傳感和智能監(jiān)測等領(lǐng)域。
木質(zhì)纖維綠碳緩沖材料是一種新型環(huán)保多孔材料。研究人員通過模仿植物細(xì)胞壁的天然交聯(lián)互鎖結(jié)構(gòu)，采用離子交聯(lián)策略等，大幅改善了其機(jī)械性能和耐水性，開發(fā)了系列具備緩沖減震、阻燃隔熱、防霉抗菌、廣譜吸音和光熱轉(zhuǎn)化等功能的木質(zhì)纖維綠碳緩沖材料，在新型綠色包裝、綠色建材、車用吸音和海水淡化等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，但該材料往往不具備超彈性，不能用于壓力傳感等智能領(lǐng)域。
針對上述問題，研究人員將紙漿纖維和PLA纖維進(jìn)行復(fù)配調(diào)控，采用濕法發(fā)泡、離子交聯(lián)和常壓干燥的手段，開發(fā)了具備超彈性的PLA@Pulp新型多孔材料（圖1）。在成型過程中，PLA纖維構(gòu)建彈性骨架結(jié)構(gòu)，微纖化的紙漿纖維填充其中與PLA纖維充分復(fù)合，增加纖維之間的纏繞程度，賦予彈性骨架更好的穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度；加之在分子層面的鈣離子交聯(lián)、氫鍵和靜電相互作用，最終賦予材料穩(wěn)定的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該材料密度低（0.05 g·cm?3）、孔隙率高（96.8%），且具備定向的層狀結(jié)構(gòu)（圖2），大孔相互貫通，具備高達(dá)90%的壓縮應(yīng)變（最大應(yīng)力150 kPa）。特別是在50%應(yīng)變下，經(jīng)30000次壓縮回彈后，仍能保持91%的原始高度，遠(yuǎn)優(yōu)于已報(bào)道的木質(zhì)纖維紙漿泡沫材料（可壓縮次數(shù)<10次），展示了其優(yōu)異的超彈性能。此外，該材料具備寬溫度（?20~150 °C）、寬濕度（0-97%）范圍的尺寸穩(wěn)定性和應(yīng)用穩(wěn)定性，而且可以循環(huán)回收利用和生物降解。
圖1. 綠色超彈多孔材料的制備示意及綜合性能評估
圖2. 綠色超彈材料多孔結(jié)構(gòu)的CT掃描圖像
得益于PLA@Pulp多孔材料的超彈結(jié)構(gòu)、非導(dǎo)電性和低介電常數(shù)（與空氣相當(dāng)，??=1.10），首次將該材料作為介電層應(yīng)用于電容式壓力傳感器中，實(shí)現(xiàn)接觸式和非接觸式傳感，在0-21.7 kPa工作壓力范圍內(nèi)的響應(yīng)靈敏度達(dá)0.16 kPa?1（1 kPa下的響應(yīng)時(shí)間僅為100 ms），滿足實(shí)際應(yīng)用要求?；趶膿u籃到大門的生命周期評價(jià)，制備1公斤該綠色超彈材料的CO2排放量僅為1.04公斤（1.04 kg CO2 equiv kg?1），分別為聚苯乙烯泡沫的24.6%、聚乙烯泡沫的44.8%、PU泡沫的21%及PDMS泡沫的6.2%，且其環(huán)境毒性也顯著低于石化基泡沫材料。此外，該綠色超彈材料的制備成本與PU泡沫相當(dāng)，顯著低于PDMS泡沫。因此，PLA@Pulp綠色超彈多孔材料有望替代石化基泡沫材料，用于智能壓力傳感、監(jiān)測器件等先進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域。
相關(guān)工作近日發(fā)表于Advanced Functional Materials。論文第一作者是來自東北林業(yè)大學(xué)的聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生程娜，通訊作者為李濱研究員、東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的沈靜教授和武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院的陳朝吉教授。相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金、黑龍江省自然科學(xué)杰出青年基金、中國科學(xué)院國際伙伴計(jì)劃和青島市科技惠民示范專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。
