可穿戴电子产品、人机界面、智能检测等领域对响应外部机械刺激并提供实时信息的压力传感器的需求越来越大。常见的压力传感器为电容式，其结构相对简单，主要由两个平行导电电极板和中间的弹性介电层组成。其中，弹性介电层所用材料主要包括聚烯烃、聚氨酯（PU）、聚酰胺及聚二甲基硅氧烷（PDMS）泡沫等，这些石化基材料存在原材料不可再生、产品不可生物降解、易造成环境污染的问题。因此，开发可生物降解的绿色、超弹新材料对助力可持续发展意义重大。
近日，青岛能源所系统集成工程中心木质纤维绿碳材料项目部在木质纤维绿碳缓冲材料研发的基础上，利用湿法发泡和离子交联策略，将纸浆（Pulp）纤维和聚乳酸（PLA）纤维复合，构筑了一种绿色、超弹新材料，可作为介电层，用于超弹压力传感和智能监测等领域。
木质纤维绿碳缓冲材料是一种新型环保多孔材料。研究人员通过模仿植物细胞壁的天然交联互锁结构，采用离子交联策略等，大幅改善了其机械性能和耐水性，开发了系列具备缓冲减震、阻燃隔热、防霉抗菌、广谱吸音和光热转化等功能的木质纤维绿碳缓冲材料，在新型绿色包装、绿色建材、车用吸音和海水淡化等领域的应用前景广阔，但该材料往往不具备超弹性，不能用于压力传感等智能领域。
针对上述问题，研究人员将纸浆纤维和PLA纤维进行复配调控，采用湿法发泡、离子交联和常压干燥的手段，开发了具备超弹性的PLA@Pulp新型多孔材料（图1）。在成型过程中，PLA纤维构建弹性骨架结构，微纤化的纸浆纤维填充其中与PLA纤维充分复合，增加纤维之间的缠绕程度，赋予弹性骨架更好的稳定性和机械强度；加之在分子层面的钙离子交联、氢键和静电相互作用，最终赋予材料稳定的多孔网络结构。该材料密度低（0.05 g·cm−3）、孔隙率高（96.8%），且具备定向的层状结构（图2），大孔相互贯通，具备高达90%的压缩应变（最大应力150 kPa）。特别是在50%应变下，经30000次压缩回弹后，仍能保持91%的原始高度，远优于已报道的木质纤维纸浆泡沫材料（可压缩次数<10次），展示了其优异的超弹性能。此外，该材料具备宽温度（−20~150 °C）、宽湿度（0-97%）范围的尺寸稳定性和应用稳定性，而且可以循环回收利用和生物降解。
图1. 绿色超弹多孔材料的制备示意及综合性能评估
图2. 绿色超弹材料多孔结构的CT扫描图像
得益于PLA@Pulp多孔材料的超弹结构、非导电性和低介电常数（与空气相当，𝜀=1.10），首次将该材料作为介电层应用于电容式压力传感器中，实现接触式和非接触式传感，在0-21.7 kPa工作压力范围内的响应灵敏度达0.16 kPa⁻¹（1 kPa下的响应时间仅为100 ms），满足实际应用要求。基于从摇篮到大门的生命周期评价，制备1公斤该绿色超弹材料的CO2排放量仅为1.04公斤（1.04 kg CO2 equiv kg−1），分别为聚苯乙烯泡沫的24.6%、聚乙烯泡沫的44.8%、PU泡沫的21%及PDMS泡沫的6.2%，且其环境毒性也显著低于石化基泡沫材料。此外，该绿色超弹材料的制备成本与PU泡沫相当，显著低于PDMS泡沫。因此，PLA@Pulp绿色超弹多孔材料有望替代石化基泡沫材料，用于智能压力传感、监测器件等先进应用领域。
相关工作近日发表于Advanced Functional Materials。论文第一作者是来自东北林业大学的联合培养博士研究生程娜，通讯作者为李滨研究员、东北林业大学材料科学与工程学院的沈静教授和武汉大学资源与环境科学学院的陈朝吉教授。相关研究得到了国家自然科学基金、黑龙江省自然科学杰出青年基金、中国科学院国际伙伴计划和青岛市科技惠民示范专项等项目的支持。
