基底传感器的敏感度自修复、自愈合性能得到有效调控

许多含酸基团的聚合物与多官能胺如羧酸、膦酸、磺酸等进行离子交联可得到性能优良的弹性体，可用于聚乙烯亚胺、乙烯基吡啶等共聚物的作用下交联和其他基础聚合物。与其他动态键相比环五聚二甲基硅氧烷的作用，一些离子键在室温下具有很高的动态性，这使得这类离聚物在室温下具有优异的自愈性能。不饱和羧酸通常表现出孤立的双键和孤立的羧基的特点。与饱和羧酸相比，不饱和羧酸会表现出一些特殊的性质。团队在以往的研究中发现（Polymer2021、228、123903），二甲基亚砜中不饱和羧酸/胺和饱和羧酸/胺的缔合常数分别为45.4和7. 25 M-1，表明不饱和羧酸与氨基之间的离子强度远强于饱和羧酸与氨基之间的离子强度，酸度的增强来自共轭双键的贡献，从而有利于形成更稳定的酸碱相互作用。

近日，华南理工大学张安强教授课题组在前人对不饱和羧基-氨基离子相互作用研究的基础上环五聚二甲基硅氧烷的作用，设计组装了一种自修复自粘式CNT/聚硅氧烷应变传感器：通过改变比[-COOH]/[-NH2]，聚硅氧烷的粘弹性、力学性能和自愈性能得到有效调控。在此基础上，将羧化碳纳米管与聚硅氧烷基材复合，制备出双层结构复合膜。他们发现 CNT 薄膜的厚度对传感器的测量系数和线性度有显着影响。该应变传感器具有自愈能力、自粘附性、高灵敏度、线性响应和低滞后等特点。

图1. (a)：氨丙基侧链聚硅氧烷(APPS)路线制备不饱和羧基聚硅氧烷(UCPS)和离聚物聚硅氧烷(UCA)的合成路线； (b)：通过抽滤使CNT分散液沉积在聚合物滤膜表面，形成CNT膜； (c)：将干燥后的 CNT 薄膜切成 9 × 30 mm 的矩形样条； (d)：CNT膜附着在聚硅氧烷基板上。固化后，将碳纳米管薄膜从聚合物过滤器转移到聚硅氧烷基材表面，将聚合物过滤器从基材上剥离，得到(e)：CNT/多晶硅氧烷复合膜。

图2. (a)：UCA-x在50 mm/min拉伸速率下的应力-应变曲线； (b)：UCA-1/UCA-2 和 (c)：UCA-2.5/UCA-3 的循环拉伸恢复测试。

图3.由不同体积的CNT分散体制备的CNT/聚硅氧烷复合薄膜的截面SEM图：(a) UCA-2.5@CNTs-10； (b) UCA-2.5@CNTs-15； (c) UCA-2.5@CNTs-20； (d) CNT/聚硅氧烷复合膜表面。

图4. (a)：CNT/聚硅氧烷复合薄膜（UCA-2.5@CNTs-10、UCA-2.5@CNTs-15和UCA -2.5@CNTs-20）组装的应变传感器以10 mm/min的速率拉伸至55%的压阻响应行为；（b）：碳纳米管/聚硅氧烷烷烃应变传感器的灵敏度因子为55 % 应变；(c), (d)：UCA-2.5@CNTs-10 和 UCA-2.5@CNTs-20 变形 SEM。

图5. (a)：UCA-2.5@CNTs-20在500次拉伸循环下的稳定性测试（应变30%）； (b): UCA-2.5@CNTs-20 在一系列施加的应变 (1, 5, 10, 15 和 20%) 和 (c): 在不同的拉伸率 (10, 20, 40 和100 mm/min) 压阻响应。

图6. (a-c)：聚硅氧烷基材在室温下自愈0.5小时和12小时后的光学显微镜图像； (d-g)：自愈前(d, e)和自愈12 h后(f, g)的CNT/聚硅氧烷复合薄膜的SEM。

图7. 用于实时监测各种人体运动的CNT/聚硅氧烷应变传感器。

这项工作发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 上，标题为基于不饱和羧基胺离子相互作用的碳纳米管/聚硅氧烷制成的自修复、自粘应变传感器。论文第一作者为华南理工大学访问学者麦冬冬（现工作单位：广东石油化工学院），通讯作者为张安强教授。本研究得到国家自然科学基金（项目号：52073098）.

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