成果简介

基于热塑性聚氨酯 (TPU) 导电聚合物泡沫的柔性压力传感器可应用于健康监测、运动检测和电子皮肤。为了满足在高压范围内长期使用的需求，TPU导电聚合物泡沫需要在检测范围、稳定性和重复性方面进行改进。本文，西安电子科技大学Xiaozhou Lü等研究人员在《Adv Mater Technol》期刊发表名为“Wide-Range and High-Stability Flexible Conductive Graphene/Thermoplastic Polyurethane Foam for Piezoresistive Sensor Applications”的论文，研究提出了一种具有超宽压力检测范围和高稳定性的柔性导电还原氧化石墨烯（rGO）/热塑性聚氨酯（TPU）多孔泡沫。

首先，通过冷冻干燥制造弹性和柔韧的 TPU 聚合物泡沫基质。然后，通过将其浸涂到氧化石墨烯 (GO) 溶液中，然后进行化学还原来制备 rGO/TPU 泡沫。通过逐步和循环压缩试验研究泡沫的机电性能，从而研究不同 rGO 负载量对泡沫性能的影响。实验结果表明，所制备的泡沫在压力检测范围（20 kPa~1.94 MPa）、灵敏度（0.0152 kPa−1 )、响应 (166 ms) 和稳定性（>10 000 个循环，在 0–35 kPa），满足在高压范围内长期使用的需求。组装成可穿戴压力传感器以监测人体运动的泡沫表现出令人满意的性能，为高压检测和高稳定性电子传感设备提供了潜力。

图文导读

图1、a) TPU 泡沫、b) GO/TPU 泡沫和 c) rGO/TPU 泡沫的制造过程和样品照片。GO/TPU 泡沫和 rGO/TPU 泡沫的照片从左到右分别显示了浸涂时间为 1 到 5 的泡沫样品。

图2、rGO/TPU 泡沫的微观结构。

图3、a,b) FTIR 光谱，c) 拉曼光谱，d) XPS 测量光谱，以及 e,f) GO/TPU 泡沫和 rGO/TPU 泡沫的 XPS C1s 光谱。g,h) TPU 泡沫、GO/TPU 泡沫和 rGO/TPU 泡沫的 TGA 曲线。

图4、a) 压缩释放过程。rGO/TPU 泡沫的压缩应力-应变曲线 b) 应变为 10-90%，c) 在应变为 50% 的不同压缩速度下，d) 应变为 60% 的不同浸涂时间。e) 不同浸涂时间的 rGO/TPU 泡沫的杨氏模量。

图5、a) 不同浸涂时间的 rGO/TPU 泡沫的导电性和灵敏度。

b) rGO/TPU 泡沫随压缩应力的电变化率。

c) rGO/TPU 3泡沫在 0%、15%、30%、45% 和 60% 不同压缩应变下的电压-安培曲线。

d) rGO/TPU3的 It / I0范围从 10% 到 60% 的压缩应变阶跃循环测试，

e) 1、3、5 和 10 mm min -1 的不同压缩速度在 60% 的应变下.

f) rGO/TPU 的响应时间。

g) 随着压应力的增加，压敏机构的示意图。

图6、a) 在 50、100、200和 300 kPa 的重复应力下，rGO/TPU 3泡沫的电量随时间的相对变化图。

b) rGO/TPU 3泡沫在 0-1.94 MPa 应力下重复压缩测试 5 次循环后的响应曲线。

c) 反复加载-卸载 20% (35 kPa) 应变下 10 000 次循环的循环稳定性测试。插图：分别用于稳定性测试的 1-20、5000-5200 和 9980-10000 次压缩-释放循环。

图7、使用 rGO/TPU 3泡沫传感器监测人体运动a) 手指按压，b) 手指运动，c) 手腕弯曲，d) 手臂弯曲，e) 点头，f) 膝盖弯曲，g) 脸颊隆起的面部表情，以及 h ） 步行。

小结

本文采用冷冻干燥、浸涂、化学还原等方法制备了一种新型rGO/TPU导电泡棉。rGO/TPU 泡沫表现出优异的柔韧性（杨氏模量：≈137 kPa）、超高压缩率（高达 90%）以及较大的抗压强度（>1.94 MPa），其制备工艺简单、经济高效，并且环保。rGO/TPU泡棉因其检测范围广、稳定性高，满足了高压范围内持久耐用的需求，为压力传感器的市场铺平了道路。

链接：https://doi.org/10.1002/admt.202100248

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