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紙漿纖維 PLA纖維,研究人員構(gòu)筑用于壓力傳感的綠色、超彈多孔新材料

2025-02-20 11:14:00青島生物能源與過(guò)程研究所閱讀量:16868 我要評(píng)論


  【包裝印刷網(wǎng) 行業(yè)動(dòng)態(tài)】當(dāng)前,可穿戴電子產(chǎn)品、人機(jī)界面、智能檢測(cè)等領(lǐng)域?qū)憫?yīng)外部機(jī)械刺激并提供實(shí)時(shí)信息的壓力傳感器的需求越來(lái)越大。常見(jiàn)的壓力傳感器為電容式,且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,由兩個(gè)平行導(dǎo)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(chǎn)品不可生物降解、易造成環(huán)境污染等問(wèn)題。因此,亟需開(kāi)發(fā)可生物降解的綠色、超彈新材料。
 
  近日,中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所等在木質(zhì)纖維綠碳緩沖材料研發(fā)的基礎(chǔ)上,利用濕法發(fā)泡和離子交聯(lián)策略,將紙漿(Pulp)纖維和聚乳酸(PLA)纖維復(fù)合,構(gòu)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(cè)等領(lǐng)域。
 
  該研究將紙漿纖維和聚乳酸纖維進(jìn)行復(fù)配調(diào)控,采用濕法發(fā)泡、離子交聯(lián)和常壓干燥的方法,開(kāi)發(fā)出具備超彈性的PLA@Pulp新型多孔材料。在成型過(guò)程中,聚乳酸纖維構(gòu)建彈性骨架結(jié)構(gòu),微纖化的紙漿纖維填充其中并與聚乳酸纖維充分復(fù)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(jī)械強(qiáng)度;同時(shí),分子層面的鈣離子交聯(lián)、氫鍵和靜電相互作用,賦予材料穩(wěn)定的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該材料密度低、孔隙率高,具有定向的層狀結(jié)構(gòu),且大孔相互貫通,具備高達(dá)90%的壓縮應(yīng)變。特別是在50%應(yīng)變下,經(jīng)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(bào)道的木質(zhì)纖維紙漿泡沫材料,展現(xiàn)出優(yōu)異的超彈性能。同時(shí),這一材料具備寬溫度、寬濕度范圍的尺寸穩(wěn)定性和應(yīng)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(jié)構(gòu)、非導(dǎo)電性和低介電常數(shù),科研人員將該材料作為介電層應(yīng)用于電容式壓力傳感器,實(shí)現(xiàn)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(nèi)的響應(yīng)靈敏度達(dá)0.16 kPa-1,滿足實(shí)際應(yīng)用要求。“搖籃到大門”生命周期評(píng)價(jià)顯示,制備1公斤綠色超彈材料的CO2排放量?jī)H為1.04公斤,且其環(huán)境毒性低于石化基泡沫材料。同時(shí),該綠色超彈材料的制備成本與聚氨酯泡沫相當(dāng),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(cè)器件等先進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域。
 
  相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院國(guó)際伙伴計(jì)劃等的支持。
 
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