可穿戴電子產品、人機界面、智能檢測等領域對響應外部機械刺激并提供實時信息的壓力傳感器的需求越來越大。常見的壓力傳感器為電容式，其結構相對簡單，主要由兩個平行導電電極板和中間的彈性介電層組成。其中，彈性介電層所用材料主要包括聚烯烴、聚氨酯（PU）、聚酰胺及聚二甲基硅氧烷（PDMS）泡沫等，這些石化基材料存在原材料不可再生、產品不可生物降解、易造成環境污染的問題。因此，開發可生物降解的綠色、超彈新材料對助力可持續發展意義重大。
近日，青島能源所系統集成工程中心木質纖維綠碳材料項目部在木質纖維綠碳緩沖材料研發的基礎上，利用濕法發泡和離子交聯策略，將紙漿（Pulp）纖維和聚乳酸（PLA）纖維復合，構筑了一種綠色、超彈新材料，可作為介電層，用于超彈壓力傳感和智能監測等領域。
木質纖維綠碳緩沖材料是一種新型環保多孔材料。研究人員通過模仿植物細胞壁的天然交聯互鎖結構，采用離子交聯策略等，大幅改善了其機械性能和耐水性，開發了系列具備緩沖減震、阻燃隔熱、防霉抗菌、廣譜吸音和光熱轉化等功能的木質纖維綠碳緩沖材料，在新型綠色包裝、綠色建材、車用吸音和海水淡化等領域的應用前景廣闊，但該材料往往不具備超彈性，不能用于壓力傳感等智能領域。
針對上述問題，研究人員將紙漿纖維和PLA纖維進行復配調控，采用濕法發泡、離子交聯和常壓干燥的手段，開發了具備超彈性的PLA@Pulp新型多孔材料（圖1）。在成型過程中，PLA纖維構建彈性骨架結構，微纖化的紙漿纖維填充其中與PLA纖維充分復合，增加纖維之間的纏繞程度，賦予彈性骨架更好的穩定性和機械強度；加之在分子層面的鈣離子交聯、氫鍵和靜電相互作用，最終賦予材料穩定的多孔網絡結構。該材料密度低（0.05 g·cm?3）、孔隙率高（96.8%），且具備定向的層狀結構（圖2），大孔相互貫通，具備高達90%的壓縮應變（最大應力150 kPa）。特別是在50%應變下，經30000次壓縮回彈后，仍能保持91%的原始高度，遠優于已報道的木質纖維紙漿泡沫材料（可壓縮次數<10次），展示了其優異的超彈性能。此外，該材料具備寬溫度（?20~150 °C）、寬濕度（0-97%）范圍的尺寸穩定性和應用穩定性，而且可以循環回收利用和生物降解。
圖1. 綠色超彈多孔材料的制備示意及綜合性能評估
圖2. 綠色超彈材料多孔結構的CT掃描圖像
得益于PLA@Pulp多孔材料的超彈結構、非導電性和低介電常數（與空氣相當，??=1.10），首次將該材料作為介電層應用于電容式壓力傳感器中，實現接觸式和非接觸式傳感，在0-21.7 kPa工作壓力范圍內的響應靈敏度達0.16 kPa?1（1 kPa下的響應時間僅為100 ms），滿足實際應用要求?；趶膿u籃到大門的生命周期評價，制備1公斤該綠色超彈材料的CO2排放量僅為1.04公斤（1.04 kg CO2 equiv kg?1），分別為聚苯乙烯泡沫的24.6%、聚乙烯泡沫的44.8%、PU泡沫的21%及PDMS泡沫的6.2%，且其環境毒性也顯著低于石化基泡沫材料。此外，該綠色超彈材料的制備成本與PU泡沫相當，顯著低于PDMS泡沫。因此，PLA@Pulp綠色超彈多孔材料有望替代石化基泡沫材料，用于智能壓力傳感、監測器件等先進應用領域。
相關工作近日發表于Advanced Functional Materials。論文第一作者是來自東北林業大學的聯合培養博士研究生程娜，通訊作者為李濱研究員、東北林業大學材料科學與工程學院的沈靜教授和武漢大學資源與環境科學學院的陳朝吉教授。相關研究得到了國家自然科學基金、黑龍江省自然科學杰出青年基金、中國科學院國際伙伴計劃和青島市科技惠民示范專項等項目的支持。
