引言

可穿戴电子设备在人机交互,医疗检测领域具有重要应用。具体来说,可穿戴电子设备能够将机械触发活动(如压力、应变、摩擦等)转化为可检测的电子单元(如电阻,电流,电压或电容等)。随着多功能可穿戴设备开发需求的不断增加,如何平衡材料的热导率,电导率及重量是研发的热点问题之一。聚酰亚胺(PI)纤维海绵等超轻聚合物海绵具有超低密度、高比表面积、良好的机械性能、优异的保温性能等优点。但材料固有的绝缘特性限制了材料在传感器上的应用。通过添加导电材料(如碳纳米管、纳米金属或导电聚合物)可提高聚合物海绵的导电性,但引入大量导电添加剂会降低材料的便携性和隔热性能。新型石墨烯的加入可以增强碳海绵的机械稳定性,但由于片状石墨烯与基体空隙尺寸的不匹配,普遍存在石墨烯分布不均的问题。

用于可穿戴机械传感设备的超轻隔热导电碳纤维海绵,图片,材料,石墨烯,电导率,第1张

为获得更好的分散性,近日德国拜罗伊特大学化学系Seema Agarwal及Andreas Greiner研究团队报道了一种超轻3D碳海绵材料,其通过将氧化石墨烯涂覆在聚酰亚胺纤维上来进行制备。在材料制备过程中,研究者首先用氧化石墨烯直接涂覆在复合聚酰亚胺短纤维上,再将短纤维材料组装成海绵。该策略取代了常规直接将氧化石墨烯涂覆海绵材料的方法,解决了大尺寸片状材料在纤维组件中分布不均匀的问题。通过此方法所制备的碳海绵导电性高达0.03-4.72 S m-1,在20 oC环境空气中的热导率低至0.027-0.038 W m-1 K-1,同时密度仅约为6 mg cm-3。且该碳海绵材料在多重循环压缩形变过程中表现出良好的物理和机械稳定性能。相关工作以“Ultralight Heat-Insulating, Electrically Conductive Carbon Fibrous Sponges for Wearable Mechanosensing Devices with Advanced Warming Function”发表在最新一期的《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

用于可穿戴机械传感设备的超轻隔热导电碳纤维海绵,图片,材料,石墨烯,电导率,第2张

图1.(a)超轻碳海绵制备步骤;(b)机理解释;(c、d、e) 纤维形貌结构;(f)未涂覆氧化石墨烯与涂覆氧化石墨烯的海绵材料。

图1a中给出了超轻碳海绵详细的制备流程,首先将静电纺丝聚酰亚胺膜通过机械粉碎获得聚酰亚胺短纤维材料,其次进行阳离子聚氨酯涂覆及氧化石墨烯涂覆,冷冻干燥后进行高温碳化处理即可获得。氧化石墨烯与阳离子聚氨酯间强的静电效应及氢键作用是片层氧化石墨烯能够良好附着在短纤维上的原因,见图1b。

用于可穿戴机械传感设备的超轻隔热导电碳纤维海绵,图片,材料,石墨烯,电导率,第3张

图2. 超轻碳海绵的物理、化学及机械性能。

XRD及XPS数据(图2a,2b)显示单层氧化石墨烯涂覆的纤维仍为非晶态结构。值的注意的是,超轻碳海绵材料不但具有超弹性能,在多次循环压缩过程中也仍能维持形状结构(图2d,2e,2f)。

用于可穿戴机械传感设备的超轻隔热导电碳纤维海绵,图片,材料,石墨烯,电导率,第4张

图3. 超轻碳海绵的压阻性能。

研究者也对超轻碳海绵的压阻性能进行了测定。当超轻碳海绵处于原始未压缩状态时,LED灯发出非常微弱的蓝光。当压缩率逐渐增加到80%时,LED灯逐渐变为亮蓝色(图3a)。这是因为在压缩超轻碳海绵时,材料体系内空洞尺寸减小,网络结构发生变形,更多的电子通路得以形成(图3b)。图3c中的SEM图片也证明了随着应变的增加,空洞尺寸减小,接触面积增加。在压缩应变高达80%的范围内,材料表现出典型的压阻特性,且相应的电阻变化与施加的压力(图3e)成比例,并且具有毫秒级的响应(图3f)。研究者将超轻碳海绵材料应用到一个简单的压力传感器中,发现其能够对人体关节运动的状态有良好的响应,表明该材料在健康监测领域具有应用潜力(图3g)。

用于可穿戴机械传感设备的超轻隔热导电碳纤维海绵,图片,材料,石墨烯,电导率,第5张

图4. 超轻碳材料的机械响应加热特性。

此外,该材料显示出良好的可加热性能,在电压大约7 V的情况下,超轻碳海绵能在约7 s内快速加热到80 °C以上,并能在约7 s内从80 °C快速冷却到室温(图4a)。在电压1 V的情况下,压缩应变与温度变化呈线性相关,而这是源于压缩后的海绵比未压缩的海绵具有更低的电阻,因此相同电压下呈现更高的温度(图4b,4c)。值的一提的是,作为一种典型的多孔海绵,除具有电热特性外,材料还表现出非凡的隔热性能和优异的机械响应热导率(图4d)。

小结

通过碳化具有氧化石墨烯涂层的聚酰亚胺复合海绵,研究者制备了一种新型的超轻碳海绵。所制备的超轻碳海绵具有良好的机械响应性、压阻性能和可调加热性能。机械响应电导率的变化使碳海绵在具有加热功能的可穿戴设备和其他类型的柔性电子产品中极具前景。