可压缩/导电p-TPU@碳纳米管海绵海绵，用于压阻传感和太阳能蒸汽

1成果简介

可穿戴柔性电子设备的快速发展带来了对配套功能设备和储能设备的需求。在弹性聚合物或橡胶薄膜中填充导电材料已被证明是制造柔性压阻传感器（PRS）的合适传感材料，但仍面临灵敏度低、稳定性差等问题。本文，福建理工大学《ACS Applied Polymer Materials》期刊发表名为"Compressible CNT Ink-Wrapped Thermoplastic Polyurethane Sponge for Piezoresistive Sensing and Solar Steam Generation”的论文，研究采用一种简单的牺牲糖模板策略，构建了一种多孔热塑性聚氨酯（TPU）海绵。为了提高热塑性聚氨酯海绵的导电性，采用物理球磨工艺制备了一种水性可印刷碳纳米管（CNT）墨水。在涂上一层薄薄的碳纳米管墨水后，就制成了具有三维多孔结构的高可压缩性和导电性p-TPU@CNT海绵。

它具有较大的可压缩性（压缩应变高达 80%）、良好的结构稳定性（超过 6000 次循环）、较高的压阻灵敏度（7.85 kPa-1）和较快的响应时间（54 ms），可直接用作柔性 PRS 器件来监测和收集关节运动和生理信号，并可组装成具有稳定电化学性能的可压缩超级电容器。此外，亲水性 p-TPU@CNT 海绵具有良好的机械和光热转换性能，还可用于太阳能蒸汽发电，在太阳光照射下的效率高达 92%。

2图文导读

图1、（a-b）制备 CNT 墨水的示意图。（C-E）图片显示了使用 CNT 油墨在纸质基材上进行丝网印刷、在 PET 基材上进行刮刀涂层以及制备独立式 CNT/PU 薄膜的使用。（f，g）CNT/PU 薄膜的 SEM 图像。（h） 红外图像显示了 CNT/PU 薄膜的电热性能。

图 2.（a） 使用牺牲糖模板策略制备 p-TPU@CNT 海绵的示意图。（b） 块糖、（c） TPU 和 （d） p-TPU@CNT 海绵的数码照片;插图显示了水接触角。（e） p-TPU@CNT 海绵的 SEM 图像。TPU 和 p-TPU@CNT 海绵的 FT-IR 和 （g） 拉曼光谱。（h） CNT、TPU 和 PU 链之间的键合机制示意图。

图3、（a-b）照片显示了 TPU 和 p-TPU@CNT 海绵的压缩恢复过程。（c，d）p-TPU@CNT海绵在各种压缩应变和 40% 应变下的压缩循环下的应力-应变曲线。（e，f）在 5000 次循环测试中，在 40% 的恒定应变下，能量损失系数、应力保持和高度保持。

图4.（a） p-TPU@CNT 海绵在不同浸墨时间下的抵抗力。（B-E）p-TPU@CNT 传感器的应变电流变化、电流-电压变化、压力变化和响应时间曲线。（f–h）p-TPU@CNT 传感器在不同频率、不同应变和 6000 多次连续压缩-释放测试下的电流变化曲线。

图5.（a） 示意图显示了传感器连接到人体以进行实时检测和收集的情况。（B-I）电流变化对人体运动的响应。

图6. (a) 基于 p-TPU@CNT 海绵的超级电容器示意图。(b-d）基于 p-TPU@CNT 海绵的 CSC 在不同电压窗口、不同扫描速率和不同压缩应变下的 CV 曲线。(e）不同电流密度下 CSC 的 GCD 曲线。(f) CSC 在 35 mA g-1 电流密度下的循环稳定性。(g,h) 光学图像显示了使用带电 CSC 点亮手表和 LED 灯的情况。

图7、(a,b) 太阳照射下海水和漂浮在水面上的 p-TPU@CNT 海绵的表面温度。(c) 基于 p-TPU@CNT 海绵的 SSG 装置示意图。(d) 水蒸气产生的照片。(e,f) 海水和 p-TPU@CNT 海绵的质量变化和 ER。(g) 海水和 p-TPU@CNT 海绵的效率和 ER 比较。(h) 基于 p-TPU@CNT 海绵的 SSG 装置在循环测试期间的质量变化。(i) 在太阳光照射下固体盐渗回海水的图像

3小结

总之，通过一种简单的牺牲糖模板策略构建了多孔热塑性聚氨酯海绵。通过物理球磨工艺制备了水性CNT墨水，以提高TPU海绵的导电性。涂上一层薄薄的CNT墨水后，就制成了具有三维多孔结构的高可压缩性和导电性p-TPU@CNT 海绵。由于热塑性聚氨酯的固有弹性和三维多孔结构中引入的连续导电网络，p-TPU@CNT海绵具有较大的可压缩性（高达80%的压缩应变）、6000次以上的优异循环稳定性、高灵敏度（7.85 kPa-1）和快速响应时间（54 ms）。因此，它可以作为可穿戴设备直接附着在人体皮肤或衣服上，用于监测和收集关节运动和生理信号。此外，p-TPU@CNT海绵还可以组装成 CSC，并表现出稳定的电化学性能。带电的CSC能够为包括可穿戴PRS设备在内的低功耗电子设备供电。亲水性p-TPU@CNT海绵具有多孔结构、良好的机械性能和光热转换能力，还可用作蒸发器，在太阳光照射下产生水蒸气，SSG效率高达 92%。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsapm.4c02484

来源：材料分析与应用