郑州大学：轻质、超弹复合气凝胶用于可穿戴压阻传感器和油水分离

随着人工智能的可预见的蓬勃发展，具有轻量化、机械遵从性、高灵敏度、快速响应、广泛响应范围和稳定性的高性能压力传感器已经出现，具有广泛的应用前景，如人工假肢、智能机器人、电子皮肤和可穿戴电子产品。大量压力传感器的传统金属和无机半导体已经呈现,展示高灵敏度的优点,快速响应,和良好的稳定性,然而,其刚度和有限的传感范围以及处理复杂和高成本阻碍实际应用。

针对这个问题,压力传感器基于不同的机制包括压电电阻、压电、电容和摩擦电大量被提出,其中压阻压力传感器已经被证明是有前途的候选人由于他们容易处理的优点,结构简单,灵活性好,方便信号集合。压阻式压力传感器一般由导电聚合物复合材料(CPCs)实现，CPCs能够立即将外界压力转化为CPCs内部导电网络重排引起的电阻变化。碳纤维的制备通常是将导电填料与柔性聚合物基体结合，并通过适当的加工技术赋予设计的结构。近年来，具有典型三维结构的压电陶瓷因其低密度、高孔隙率和良好的弹性被认为是最理想的压阻式传感器的候选材料。基于前期工作中开发出的一系列优良的基于CPCs的三维结构压力传感器表现出良好的柔韧性、良好的传感稳定性和较宽的传感范围，但其在多周期过程中的残余变形较大，且对微小压力/应变的检测能力较差，严重限制了其应用。

受超轻和结构坚固的蜘蛛网的启发，具有有趣属性的柔性纳米纤维组装气凝胶被设计出来，在各种应用中实现有前景的性能。郑州大学刘虎副教授、刘春太教授课题组选用耐高温的聚酰亚胺纳米纤维（PINF）作为骨架，水溶性PAA作为粘结剂和碳化钛MXene纳米片作为导电填料，通过环境友好的冷冻干燥和热酰亚胺化工艺构筑了超轻、超弹、疏水并具有特殊的“层-架”结构的PINF/MXene导电复合气凝胶。导电聚酰亚胺纳米纤维(PINF)/MXene复合气凝胶具有典型的“层-架”支撑分层纳米纤维海绵结构是通过冷冻干燥和热亚胺化工艺开发出来的。得益于PINF和MXene之间的多孔结构和坚固的结合，PINF/MXene复合气凝胶表现出超低密度(9.98
mg cm−3)，耐温范围为50 ~ 250℃，优越的压缩性和可恢复性(高达90%的应变)，以及超过1000次循环的优异疲劳抗力。复合气凝胶可以用作压敏电阻传感器,具有杰出的感应能力【高达90%应变(对应85.21 kPa)】, 0.5%的超低检测极限应变(对应0.01
kPa),强大的抗疲劳强度超过1000个循环周期,优秀的压敏电阻在极其恶劣的环境中稳定性和再现性。此外，复合气凝胶还具有优异的油水分离性能，吸附量为55.85 ~ 135.29 g g−1，且具有良好的疏水性和分级多孔结构，可循环利用。设计的PINF/MXene复合气凝胶有望为人体运动/物理信号检测和高效油/水分离提供一个新的多功能平台。该研究成果以“Lightweight,
Superelastic and Hydrophobic Polyimide Nanofiber /MXene Composite Aerogel for Wearable Piezoresistive Sensor and Oil/Water Separation Applications”为题发表在国际著名期刊Advanced Functional Materials上。

图1A为PINF/MXene复合气凝胶的制备过程

PINF/MXene复合气凝胶的设计原因主要基于以下两个方面:1)PI具有优秀的综合性能：包括耐高/低温,机械强度高,抗化学和抗辐射和良好的柔性,使它成为一个理想的压阻传感器基材去适用于各种恶劣的环境;2) 2D过渡金属碳化物Ti3C2X
MXene具有金属导电性,丰富的表面官能团和良好的亲水性,这无疑将赋予所设计的气凝胶稳定的电气性能。因此，该材料表现出超低的压力探测限、宽响应范围以及优异的机械耐疲劳性，尤其在液氮、高温等极端恶劣环境下也具有稳定的传感能力。该研究为制备高性能可穿戴柔性传感材料提供了一种新思路。基于优异的疏水性和特殊的泡孔结构，所制备的导电复合气凝胶在油水分离领域也展现出广阔的应用前景。

图2-PINF/MXene复合气凝胶的压阻传感性能。

为了获得具有优异力学性能和均匀三维结构的PINF/MXene复合气凝胶，以下两个步骤是非常重要的:（1)
PINF和MXene的均匀悬浮。考虑到MXene在水中的良好分散性，选择环保型去离子水作为理想的分散介质。由此产生的深绿色MXene纳米片水悬浮液显示出显著的“廷德尔效应”，表明由于其表面的极性和亲水性官能团(-O，-OH，-F)，形成了稳定的胶体悬浮液。此外，采用简单有效的氧等离子体处理，解决了PINF本身的疏水性问题，显著提高了其表面亲水性。(2)构建稳健的三维多孔结构。水溶性聚酰胺酸(PAA)作为粘合剂将分散的PINF和MXene在气凝胶形成过程中粘合在一起。PAA最终转化为PI，经过热亚胺化处理后粘结PINF-PINF和PINF-MXene，使复合气凝胶具有较好的结构稳定性。

图3-复合气凝胶优越的高效油/水分离性能

总之，通过简单的冷冻干燥和热亚胺化工艺，设计并开发了一种具有典型“层支撑”支撑多孔结构的多功能导电PINF/MXene复合气凝胶。由于特殊的多孔结构和PINF与MXene之间的坚固结合，合成的复合气凝胶具有超低密度、耐温性、优越的压缩性/可恢复性和优异的抗疲劳性能。更重要的是，基于复合气凝胶的压阻传感器在人体运动和物理信号检测方面也表现出了良好的性能。此外，复合气凝胶是一种优越的高效油/水分离材料。

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202008006