成果简介
巨大的电子废物推动了可生物降解导电纤维素纸基功能材料作为柔性可穿戴设备的蓬勃发展。然而，相对较低的灵敏度和不稳定的输出，加上高湿度条件下的湿强度差，阻碍了实际应用。本文，大连工业大学 杜健副教授、 王海松教授等研究人员在《Carbohydr. Polym》期刊发表名为“Waterproof and ultrasensitive paper-based wearable strain/pressure sensor from carbon black/multilayer graphene/carboxymethyl cellulose composite”的论文，研究提出创新性地采用离子羧甲基纤维素钠（CMC）作为桥梁，增强炭黑（CB）与多层石墨烯（MG）和SiO2纳米颗粒之间的界面相互作用，提出了一种具有超高灵敏度的超疏水纤维素纸。
由此产生的纸基（PB）传感器表现出出色的应变传感性能、宽工作范围（−1.0 %–1.0%）、超高灵敏度（表压系数，GF = 70.2）和令人满意的耐用性（>10，000次循环）。此外，超疏水表面具有良好的防水和自清洁性能，即使在极高的湿度条件下也能稳定运行数据而无需封装。令人印象深刻的是，当将制造的PB传感器应用于电子皮肤（E-skin）时，轻而易举地实现了E-skin在身体运动时空间应变的信号捕获。因此，我们的工作不仅为加强导电碳质材料的界面相互作用提供了新的途径，而且有望在人机界面领域推出一类前所未有的超疏水纤维素纸基应变传感器。
图文导读
图1.（a）制造超疏水PB应变传感器的示意图和（b）受人体皮肤结构启发的设计理念。
方案 1.CMC增强CB/MG电导率的示意图。
图2。（a） 原始滤纸、CB/MG/CMC纸和超疏水CB/MG/CMC/SiO2纸的FT-IR光谱。（b） CB/MG纸和CB/MG/CMC纸的核心级C1s XPS光谱。（c） 数字图像和（d，e）CB/MG纸、CB/MG/HEC纸、CB-MG/CMC纸的电阻变化作为浸涂过程循环次数的函数。（f） SiO2浸涂次数对CB/MG/CMC/SiO2纸WCAs和电阻的影响。
图3。（a，d）原始滤纸、（b，e）CB/MG/CMC纸和（c，f）CB/MG/CMC/SiO2纸在不同放大倍数下的俯视SEM图像。（g） CB/MG/CMC/SiO2纸张的俯视元素映射图像。CB/MG/CMC/SiO2纸的截面SEM图像（h）和相应的元素映射图像（i）。
图4。（a） CB/MG/CMC/SiO2纸表面各种液滴的光学照片。（b） 超疏水CB/MG/CMC/SiO2纸的自清洁、（c）防污和（d）机械耐久性测试。（e） 用砂纸摩擦后，CB/MG/CMC/SiO2纸表面有水滴。
图5。在（a）张力和（b）压缩应变下，电阻与应变的相对变化。（c） CB/MG/CMC/SiO2纸在不同拉伸应变下的应变传感行为。（d） 五个周期性压缩/拉伸循环期间的相对电阻变化和（e）弯曲传感循环的抗疲劳试验（ε = 0.6 %). （f） PB传感器弯曲应变传感示意图。
图6. (a)触摸和(b)压力在不同力度下对E-皮肤的感知反应。(c)不同压力下PB传感器的电阻变化；(d)0-4.88kPa下的灵敏度。(e) PB传感器的压力方向感应机制示意图。
图7、应用图示
小结
综上所述，受皮肤结构的启发，采用简便有效的工艺精心制作了前所未有的具有优异灵敏度的超疏水导电纤维素纸基柔性传感器。这些优点可能为其在防水可穿戴电子设备、人类保健和智能机器人中的多功能应用铺平道路。
文献：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.120898
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