新型离子皮肤应用前景看好

2020-07-20 13:21:40 来源:中国化工报 字号:T | T | T

关键字:离子皮肤

导言:除了弹性十足、受伤能自动修复,遇到高温燃烧还可以阻燃,同时传递信号连接无线终端实施预警。这些特性属于一种新型离子皮肤材料,由上海科技大学物质科学与生命学院凌盛杰研究员课题组研制成功。

高温燃烧直接阻燃 连接无线实施预警

除了弹性十足、受伤能自动修复,遇到高温燃烧还可以阻燃,同时传递信号连接无线终端实施预警。这些特性属于一种新型离子皮肤材料,由上海科技大学物质科学与生命学院凌盛杰研究员课题组研制成功。课题组还利用这些特性开发出一种在极端条件下可通过无线信号传递预警信息的报警系统。这是7月16日记者在采访凌盛杰课题组时了解到的信息。

新兴领域备受关注

近年来柔性传感器在可穿戴电子设备、触摸屏等领域的潜在应用备受关注。凌盛杰表示,离子皮肤其实就是使用离子液体、离子凝胶、水凝胶等材料作为弹性电介质的一类柔性传感器,旨在模仿人类皮肤感知外部刺激。在上述3类离子皮肤中,最受关注的是水凝胶离子皮肤。

凌盛杰课题组以天然丝素蛋白(SF)和钙离子为原料,通过不同的合成策略,制备出一种透明、可拉伸、可自修复、高生物安全、可阻燃且导电的离子皮肤材料(SFCIS)。

“离子皮肤由聚合物网络和离子导电成分组成,前者作为框架使离子皮肤呈现弹性固体的形态,满足柔性需求;后者可依离子导电的特征对外部环境改变做出电信号响应。”凌盛杰介绍说,“我们使用天然生物大分子蚕丝作为离子导体凝胶的聚合物网络框架材料,使得SFCIS具有高透明性和良好柔性,通过调控钙离子含量可以控制SFCIS在不同环境中的力学性能。比如,在高湿度环境中,SFCIS具有良好的黏附性和自愈性;也可在不同温度和湿度下保持良好的拉伸特性,伸长率高达1200%。此外,其导电性可达1.96毫西门子每厘米,符合人体穿戴的安全需求。”

阻燃特性值得探索

在此基础上,课题组还发现离子皮肤的独特阻燃特性,并对其阻燃机理进行了探索。凌盛杰介绍说,燃烧往往发生在一瞬间,为了探究燃烧过程中材料发生的化学反应过程,他们分析了不同反应阶段下的材料组分变化。通过对比纯丝蛋白体系和SFCIS体系的图谱后,他们发现在钙离子加入后,SFCIS中发生了一系列阻燃过程,包括脱水、碳化层膨胀、多层屏蔽和自由基淬灭。同时,在火焰炙烧下,SFCIS的电阻值会在初始期快速下降,并维持一段较长的稳定期,期间仍然可以导电。

基于这种独特的性质,研究团队设计开发出一种通过无线信号传递预警信息的火灾报警系统。他们利用热质联用TGA-MS技术,配合对燃烧过程的气体、形貌分析,分析材料的阻燃及燃烧机制。经实验测试得到了极限氧指数为43%,发现蚕丝蛋白高于大多数常用的弹性高分子。

由此,这种可阻燃的离子皮肤既能避免电器失火的危险,也能在火灾预警上有所作为。

工业化应用前景好

对于可能的应用前景,凌盛杰表示,由于离子导电的特性,这种离子皮肤的电阻会随温度、湿度等因素变化,可以设计为传感器用于监测环境因素的变化,应用于条件较极端的环境(如火灾预警)。它也可以直接作为阻燃隔层使用,用于应对森林火情等。

凌盛杰表示,这项成果为研究同类材料的燃烧机制提供了可行方案,也为基于离子导体的新型人造皮肤设计提供了新思路,对提升可穿戴设备安全性有重要的启示。

此外,离子皮肤还具有很好的生物相容性、降解性、无毒性以及水凝胶本身的保湿性,可作为保鲜涂层使用。

在工业化应用上,这种离子皮肤的制备过程非常简单,不需要高温高压等特殊条件。制备出的材料可利用水达到增塑效果,易于加工。另外,由于其具有环境友好性,大规模工业化生产不会带来环境污染,符合可持续发展战略的要求。

【责任编辑/选稿人:hrh】

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