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《先进材料》用于柔性可穿戴电子器件的超疏水智能涂层

  • 2017-10-23 13:51:10

2017-10-08 高分子科学前沿

超疏水界面,通常是指水与材料表面的接触角大于150°,如:生活中常见的荷叶和水黾科昆虫的腿。超疏水材料的制备和应用已经成为如今的研究前沿。获得稳定性、灵活性、实用性良好的超疏水材料已经成为实际应用中必不可少的问题。然而,超疏水用于可穿戴式感应器件的应用尚未报道。

近日,中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的张珽研究员在Advanced Materials上发表了一篇名为“A Superhydrophobic Smart Coating for Flexible and Wearable Sensing Electronics”的文章,报道了一种高度灵活的多功能智能涂层的合成方法,即:通过喷涂分散在热塑性橡胶溶液中的多壁碳纳米并经过乙醇处理,制备超疏水智能涂层。

【图文导读】

1. MWCNT/TPE复合涂层的制备和SEM

 

▲(a) 复合涂层的制备过程。(b) 涂层基片上的接触角与乙醇处理时间的关系图。插图:3μL水在基片上的光学照片。(c-e) 乙醇分别处理0 min, 1 min, 2 minMWCNT/TPE复合涂层表面的SEM图。插图:放大图。

2. MWCNT / TPE复合涂层的超疏水稳定性表征

▲(a) 超疏水涂层布揉搓过程的照片。(b) 实验制备涂层布的防水性。(c) 揉搓300次后,防水布的疏水性能稳定。(d) 乙醇处理2分钟后,MWCNT / TPE复合膜的截面SEM图。(e) 不同处理过程下,3 μL水在玻璃图层基片上的接触角照片。

3. 超疏水MWCNT / TPE薄膜在防水和减阻方面

▲ (a-b) 超疏水涂层手套浸入水中以及拿出后的照片。(c) 无涂层的水上机器人在水中的照片。(d) 水上机器人四涂覆磁性MWCNT/Fe3O4/TPE薄膜的照片。

4. 涂覆在硅胶条上的MWCNT/TPE薄膜传感器对拉伸的敏感性及其表面防水性的研究

▲ (a) 归一化电阻与拉伸应变及线性配件的关系图。插图:传感器照片。(b) 不同频率下,ε= 0%到ε= 50%的重复拉伸下,电阻的实时变化图。(c) 施加ε= 0%到ε= 5%的准惯性阶跃应变时,传感器随时间的变化图。插图:响应时间放大图。(d) ε= 0%到ε= 5%的循环拉伸时,归一化电阻值的变化;体现了传感器的再生性和耐久性。(e) 3 μL水滴在不同拉伸应变MWCNT / TPE膜上的照片。插图:水接触角的放大图。

5. 涂覆在圆柱形硅胶基片上的MWCNT/TPE薄膜传感器弯曲灵敏度以及表面防水性的研究

▲ (a)传感器照片。(b) 归一化电阻与弯曲角度的关系图。(c) 弯曲度从θ = 1°增加到θ = 5°时,传感器归一化电阻的变化图。(d) 由小角度弯曲引起的拉伸应变对归一化电阻的影响。(e) 归一化电阻与扭转角的关系。插图:扭转状态的传感器图片。(f-h) 3μL水滴在不同弯曲角度的超疏水基片上。插图:水接触角的放大图。

6. 利用超疏水MWCNT / TPE薄膜传感器对人体运动进行实时检测

▲ (a) 橡胶手套的每个手指上有5个传感器照片。(b) 归一化电阻与时间的关系。插图:食指佩戴涂层手套在水滴间断下落情况下的重复弯曲图。(c) 归一化电阻的实时变化图。插图:肘关节穿戴涂层实验服时的弯曲运动图。

 

这项研究工作提出了一种室温下方便制备的超疏水MWCNT / TPE智能涂层,并在拉伸、弯曲、扭转情况下具有良好的防水性能。该涂层应用范围广泛,可实现玻璃、塑料、纤维、金属材料的自清洁和减阻应用。此外,智能涂层还可以用作柔性、高性能、多功能耐磨传感器,广泛应用在医疗保健和医学器械的制造中。

参考文献:

Li L, Bai Y, Li L, et al. A Superhydrophobic Smart Coating for Flexible and Wearable Sensing Electronics[J]. Advanced Materials, 2017, DOI: 10.1002/adma.201702517

全文链接:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201702517/full

(高分子科学前沿,2017-10-08,来源:材料人 作者:孙雪飞)

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