當前，可穿戴電子產品、人機界面、智能檢測等領域對響應外部機械刺激并提供實時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，且結構相對簡單，由兩個平行導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包括聚烯烴、聚氨酯、聚酰胺和聚二甲基硅氧烷泡沫等。這些石化基材料存在原材料不可再生、產品不可生物降解、易造成環(huán)境污染等問題。因此，亟需開發(fā)可生物降解的綠色、超彈新材料。
近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所等在木質纖維綠碳緩沖材料研發(fā)的基礎上，利用濕法發(fā)泡和離子交聯策略，將紙漿（Pulp）纖維和聚乳酸（PLA）纖維復合，構筑出綠色、超彈新材料。這一材料可作為介電層，用于超彈壓力傳感和智能監(jiān)測等領域。
綠色超彈多孔材料的制備示意圖及綜合性能評估
該研究將紙漿纖維和聚乳酸纖維進行復配調控，采用濕法發(fā)泡、離子交聯和常壓干燥的方法，開發(fā)出具備超彈性的PLA@Pulp新型多孔材料。在成型過程中，聚乳酸纖維構建彈性骨架結構，微纖化的紙漿纖維填充其中并與聚乳酸纖維充分復合，增加纖維之間的纏繞程度，賦予彈性骨架更好的穩(wěn)定性和機械強度；同時，分子層面的鈣離子交聯、氫鍵和靜電相互作用，賦予材料穩(wěn)定的多孔網絡結構。該材料密度低、孔隙率高，具有定向的層狀結構，且大孔相互貫通，具備高達90%的壓縮應變。特別是在50%應變下，經30000次壓縮回彈后，該材料仍能夠保持91%的原始高度，優(yōu)于已報道的木質纖維紙漿泡沫材料，展現出優(yōu)異的超彈性能。同時，這一材料具備寬溫度、寬濕度范圍的尺寸穩(wěn)定性和應用穩(wěn)定性，并可以循環(huán)回收利用和生物降解。
得益于PLA@Pulp多孔材料的超彈結構、非導電性和低介電常數，科研人員將該材料作為介電層應用于電容式壓力傳感器，實現了接觸式和非接觸式傳感。研究顯示，該材料在0至21.7 kPa工作壓力范圍內的響應靈敏度達0.16 kPa?1，滿足實際應用要求。“搖籃到大門”生命周期評價顯示，制備1公斤綠色超彈材料的CO2排放量僅為1.04公斤，且其環(huán)境毒性低于石化基泡沫材料。同時，該綠色超彈材料的制備成本與聚氨酯泡沫相當，低于聚酰胺和聚二甲基硅氧烷泡沫。
這一新材料有望替代石化基泡沫材料，用于智能壓力傳感、監(jiān)測器件等先進應用領域。
相關研究成果發(fā)表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。研究工作得到國家自然科學基金和中國科學院國際伙伴計劃等的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202423122
