宁波大学开发超薄分级水凝胶-碳纳米复合材料，可用于防水可穿戴湿度传感器
来源：柔性传感及器件  2023-10-07 09:58:47
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原文：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-13635.html       柔性和可穿戴传感器因其在医疗保健、电子皮肤等领域的潜在应用而受到越来越多的关注，以及人机交互。湿度是携带重要人类生理信息的关键指标之一。实时监测呼吸和皮肤上的湿度，可以诊断和及时治疗许多呼吸道和皮肤疾病，并跟踪身体代谢、皮肤健康和伤口恢复。尽管已经开发了用于健康监测的各种湿度传感器，但制造可用于日常实时监测的可穿戴湿度传感器仍然是一个挑战，因为它不仅需要传感器的高灵敏度和稳定性，而且还需要快速响应/恢复以快速检测细微的湿度变化，出色的柔韧性和拉伸性，符合皮肤，同时具有耐用性和对水、汗液和细菌等外部介质的抵抗力。

       为了实现具有高灵敏度和快速响应/恢复的湿度传感器，具有强湿气相互作用和高比表面积的传感元件至关重要。其中，功能性无机纳米材料，如碳和金属氧化物，以及聚合物的应用最为广泛。无机纳米材料由于其丰富的表面活性位点、良好的化学稳定性和电学性能而具有优势，但其柔韧性和拉伸性较差。聚合物，尤其是水凝胶，具有优异的生物相容性、弹性和湿度响应性；因此，是可穿戴湿度传感器的理想材料。据报道，各种基于水凝胶的湿度传感器具有良好的传感性能和灵活性。然而，传统的水凝胶湿度传感器通常使用大厚度的水凝胶。这些块状水凝胶在电阻率达到平衡之前可能会吸收大量水分，水分子在水凝胶中的扩散可能需要很长时间，这严重阻碍了水分子的吸附和解吸过程，导致相当慢的响应和恢复。本体水凝胶对于水分子相互作用也具有相当小的比表面积，导致灵敏度有限。

       因此，人们致力于实现具有大比表面积的更薄水凝胶膜，以提高响应/恢复时间和灵敏度。然而，较薄的水凝胶膜缺乏重复拉伸的机械鲁棒性，并且具有相当低的电导率。一种有效的策略是将亚微米水凝胶膜涂覆在柔性基底上，如聚二甲基硅氧烷（PDMS），并创建用于扩大比表面积的表面微米和纳米结构。然而，传统的基于溶液的方法难以实现具有精确厚度控制和基底表面微米和纳米结构良好保存的超薄水凝胶膜。此外，溶剂处理可能会破坏精细的表面微观结构，并在传感器内留下杂质和残留物，影响其性能。

       气相沉积是获得超薄共形水凝胶膜的有效替代方法。引发化学气相沉积（iCVD）是一种温和的聚合物薄膜制造方法，其允许在衬底表面上原位自由基聚合，实现高度共形的纳米级涂层，具有精确的厚度控制和优异的表面微观形貌保留。使用iCVD合成了水凝胶纳米涂层，并成功沉积在具有微结构和纳米结构的表面上，如织物、微孔膜和碳纳米管林，而不破坏原始表面的微米和纳米结构。然而，iCVD水凝胶薄膜通常具有化学交联结构，这可能会限制其拉伸性，并影响其离子传输能力，从而影响其导电性。

       本文亮点

1. 本工作报道了采用超薄微-纳米分级水凝胶-碳纳米复合材料的可穿戴湿度传感器。通过简单的两步无溶剂方法在聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜上合成了纳米复合材料，该方法产生了由周期性微尺度褶皱和气相沉积的纳米多孔水凝胶蜡烛烟灰纳米涂层组成的分级结构。
2. 分级表面形貌导致比表面积显著增大（>107倍于平面水凝胶），这与超薄水凝胶一起使传感器在宽湿度范围（11-96%）内具有高灵敏度和快速响应/恢复（13/0.48 s）。由于水凝胶和PDMS之间的褶皱结构和互穿网络，该传感器在反复180°弯曲、100%应变甚至刮擦时稳定耐用。
3. 传感器的封装在不影响其性能的情况下，具有良好的防水、防汗和抗菌性能。该传感器随后被成功用于实时监测不同的人类呼吸行为和皮肤湿度。

     文章来源：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-13635.html