3D层状木基微压传感器的制备及性能.docx

? ? 3D层状木基微压传感器的制备及性能* ? ? 王 宁 张 妍 夏兆鹏 刘亚亚 潘佳俊 刘 雍 王 亮 (天津工业大学纺织科学与工程学院 天津 300387) 随着全球能源危机和环境污染问题日趋严重，吸附材料、污水处理、隔热耐火、柔性电子等诸多研究领域迫切需要开发轻质、高孔隙率、环境友好、高机械性能的凝胶材料(Evdokimovaetal.， 2021)。木材是一种天然生长形成的多孔性有限膨胀胶体，具有独特的多尺度层级结构和各向异性特点，近年来，基于木材结构特征，研究人员先后开发出储能材料、环境修复材料、透明木材等功能材料(Berglundetal.， 2018； Chenetal.， 2018a； Gunasekaraetal.， 2020； Jiangetal.， 2018)，为木材的功能化拓展和高值化利用提供了新的研究思路。气凝胶是一种结构可控的纳米多孔轻质材料，具有纳米结构、高比表面积、高孔隙率等特点，但人工制备气凝胶普遍存在强度低、易破裂等缺陷； 将泡桐(Paulownia)、椴木(Tilia)等一些低密度和低热导率木材基质中的果胶、半纤维素等重新润湿膨胀并通过超临界流体干燥，可得到与气凝胶相似的空间网络结构，该材料兼具木材和气凝胶的双重特性，能克服一些人工制备气凝胶存在的缺陷，且具备智能效应和环境学特性，进一步扩大了木材的应用范围(翟相林等， 2008)。 轻木(Ochromalagopus)是目前世界上密度和质量最低、孔隙率最高、生长最快的树木，年生长可达5～6 m(Borregaetal.， 2015)。采用“自上而下”方法，通过简单的化学处理破坏轻木薄细胞壁，选择性地去除木质素和半纤维素组分(Chenetal.， 2020a； Songetal.， 2018)，结合聚硅氧烷涂层可得到弹性较好的基于聚硅氧烷的气凝胶(Guanetal.， 2018)，去除木质素和半纤维素的气凝胶经高温碳化可制备出高度轻量化可压缩、导电的木材气凝胶，并已应用到传感器领域(Chenetal.， 2018b； 2020b)。在此基础上，通过泵送聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)制备碳/硅复合气凝胶，实现了具有快速响应时间和良好工作稳定性的柔性压力传感器(Huangetal.， 2018)，但传感器灵敏度相对较低，如何通过传感材料选用和柔性传感结构设计制备低成本、可扩展、高性能的传感器仍是一个巨大挑战。 导电聚合物聚(3，4-乙烯二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT∶PSS)具备高导电性和良好的黏合性能，被认为是导电材料涂层气凝胶的优良导电材料或协同增强组分。，本研究以轻木为原料，通过NaClO2、NaOH溶液两步法选择性地从细胞壁中去除木质素和半纤维素组分，应用冷冻干燥技术制备木基气凝胶并将其作为传感器骨架材料； 采用浸渍法将气凝胶骨架浸入导电聚合物PEDOT∶PSS和偶联剂3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷(GOPS)混合溶液中，经冷冻干燥后低温加热使三者交联，制备3D层状木基微压传感器； 在不同条件下，对3D层状木基微压传感器进行结构形态表征和电学、感测性能测试，探讨木基气凝胶骨架与PEDOT∶PSS含固比对压力传感器感测性能的影响，以期为开发基于绿色天然材料的低成本、高性能传感器提供新思路。 1 材料与方法 1.1 试验材料 轻木样品切成10 mm×10 mm×10 mm(径向×弦向×纵向)，用于制备木基气凝胶。亚氯酸钠(NaClO2，80%)、冰乙酸(CH3COOH，≥99.7%)、氢氧化钠(NaOH，96%)、硫酸(H2SO4，95%～98%)购自天津市风船化学试剂科技有限公司，3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷溶液(GOPS，97%)购自阿拉丁化学有限公司，聚(3,4-乙烯二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT∶PSS，1.3%，Heraeus Clevios，PH1000)购自上海凯射丰实业有限公司。以蒸馏水为处理木材溶剂。 1.2 试验设备 冷冻干燥机，型号LGJ-12，北京松源华兴科技发展有限公司，用于干燥过程中保持木基气凝胶原本多孔结构。冷场发射电子扫描显微镜(SEM)，型号S4800，HITACHI公司，用于表征木材、木基气凝胶、复合导电气凝胶的表面形态和结构。全自动物理化学吸附仪Autosorb-iQ，康塔仪器公司，AutoPore Ⅳ 9500，型号V1.09，Micromeritics公司，用于木材、木基气凝胶的孔隙结构表征。傅里叶变换红外光谱仪，型号Nicolet iS50，赛默飞世尔科技，用于定性分析木材纤维组分。柔性传感器性能检测系统，型号V2.1.3，由天平、数字万用表(Keysight 34410A)和计算机组成，天津工业大学，用于测试