轻工学院在柔性传感领域研究取得新进展

近日，天津科技大学轻工科学与工程学院的高萌/李洁团队，针对柔性应力传感器所面临的界面粘附与稳定性问题提出了新的解决方案。相关论文以“Improving electronics stability via covalent-linked interfaces for ultra-robust pressure sensing array”为题发表于国际期刊《Chemical Engineering Journal》（IF="15.1）上。轻工学院21届硕士研究生潘啸森与王亚丽为共同第一作者，高萌和李洁为共同通讯作者，天津科技大学为第一兼通讯单位。

图1具有互连接口的柔性传感器的增强机制、材料设计和器件构造。

柔性器件在持续动态运动（压缩、摩擦和弯曲）时，会出现退化及故障，大大削弱了其稳定性和可靠性。这主要源于聚合物基体和导电材料之间的薄弱且不稳定的粘附，这不可避免地导致界面失效。在此，提出了一种通过引入共价界面来提高传感器机械和环境稳定性的策略。具体上，通过将聚氨酯丙烯酸酯(PUA) 低聚物与具有丙烯酸酯键的硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(γ-MPS) 之间的一步光聚反应，获得了改性的S-PU。可水解缩合的甲氧基团被修饰于聚合物链上，这使得Ti3C2TxMXene表面的羟基与之形成共价Ti-O-Si键，显著提升了导电材料于基质上的界面粘附强度，获得界面增强的S-PUM/MXene压力传感器(S-PUM)。另外，伴随着聚合物内部游离的甲氧基自缩合为Si-O-Si键，传感器的力学性能也获得了显著的提高。

图2 S-PUM传感器的机械弹性和界面稳定性表征及对比。

得益于增强界面，S-PUM在压缩前有着更均匀的导电材料粘附，并在高强度压缩回弹循环和持续30天的水洗过程中仍然不发生脱落。另外，形成的双重增强网络使其在1000次80%压缩循环苛刻的测试后完全回弹而不变形。同时在10000次50%压缩后仍表现出小于PUM的最大应力损失和模量损失。

图3 S-PUM传感器的传感性能和信号稳定性表征及对比。

S-PUM传感器显示出令人满意的传感性能。在周期压缩试验中，S-PUM保持了均匀的信号输出趋势，稳定性远远超过了无界面增强的PUM。此外，S-PUM在经过严峻的水洗和酸洗（1M HCl）仍能持续输出稳定的信号。结果证明了共价界面对传感稳定性有显著的提升作用。

图4基于S-PUM的超强传感阵列和坐姿监测应用。

基于S-PUM的压力传感阵列被证明拥有耐水洗和酸洗的性能。进一步地，S-PUM被组装为用于坐姿监测的智能坐垫。结果表明，长时间监测下的不同坐姿可以被准确识别并输出对应的颜色映射。在测试结束后，坐垫可完全恢复。结果证明了S-PUM压力传感器的稳定性和耐用性，也证明其在姿态检测和人机交互等领域拥有广阔应用前景。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151354

编辑：赵容宇   赵天桐