3D層狀木基微壓傳感器的制備及性能*

王 寧 張 妍 夏兆鵬 劉亞亞 潘佳俊 劉 雍 王 亮

(天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300387)

隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，吸附材料、污水處理、隔熱耐火、柔性電子等諸多研究領(lǐng)域迫切需要開發(fā)輕質(zhì)、高孔隙率、環(huán)境友好、高機(jī)械性能的凝膠材料(Evdokimovaetal.， 2021)。木材是一種天然生長形成的多孔性有限膨脹膠體，具有獨(dú)特的多尺度層級結(jié)構(gòu)和各向異性特點(diǎn)，近年來，基于木材結(jié)構(gòu)特征，研究人員先后開發(fā)出儲能材料、環(huán)境修復(fù)材料、透明木材等功能材料(Berglundetal.， 2018； Chenetal.， 2018a； Gunasekaraetal.， 2020； Jiangetal.， 2018)，為木材的功能化拓展和高值化利用提供了新的研究思路。氣凝膠是一種結(jié)構(gòu)可控的納米多孔輕質(zhì)材料，具有納米結(jié)構(gòu)、高比表面積、高孔隙率等特點(diǎn)，但人工制備氣凝膠普遍存在強(qiáng)度低、易破裂等缺陷； 將泡桐(Paulownia)、椴木(Tilia)等一些低密度和低熱導(dǎo)率木材基質(zhì)中的果膠、半纖維素等重新潤濕膨脹并通過超臨界流體干燥，可得到與氣凝膠相似的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該材料兼具木材和氣凝膠的雙重特性，能克服一些人工制備氣凝膠存在的缺陷，且具備智能效應(yīng)和環(huán)境學(xué)特性，進(jìn)一步擴(kuò)大了木材的應(yīng)用范圍(翟相林等， 2008)。

輕木(Ochromalagopus)是目前世界上密度和質(zhì)量最低、孔隙率最高、生長最快的樹木，年生長可達(dá)5～6 m(Borregaetal.， 2015)。采用“自上而下”方法，通過簡單的化學(xué)處理破壞輕木薄細(xì)胞壁，選擇性地去除木質(zhì)素和半纖維素組分(Chenetal.， 2020a； Songetal.， 2018)，結(jié)合聚硅氧烷涂層可得到彈性較好的基于聚硅氧烷的氣凝膠(Guanetal.， 2018)，去除木質(zhì)素和半纖維素的氣凝膠經(jīng)高溫碳化可制備出高度輕量化可壓縮、導(dǎo)電的木材氣凝膠，并已應(yīng)用到傳感器領(lǐng)域(Chenetal.， 2018b； 2020b)。在此基礎(chǔ)上，通過泵送聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)制備碳/硅復(fù)合氣凝膠，實(shí)現(xiàn)了具有快速響應(yīng)時間和良好工作穩(wěn)定性的柔性壓力傳感器(Huangetal.， 2018)，但傳感器靈敏度相對較低，如何通過傳感材料選用和柔性傳感結(jié)構(gòu)設(shè)計制備低成本、可擴(kuò)展、高性能的傳感器仍是一個巨大挑戰(zhàn)。

導(dǎo)電聚合物聚(3，4-乙烯二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸鹽)(PEDOT∶PSS)具備高導(dǎo)電性和良好的黏合性能，被認(rèn)為是導(dǎo)電材料涂層氣凝膠的優(yōu)良導(dǎo)電材料或協(xié)同增強(qiáng)組分。，本研究以輕木為原料，通過NaClO2、NaOH溶液兩步法選擇性地從細(xì)胞壁中去除木質(zhì)素和半纖維素組分，應(yīng)用冷凍干燥技術(shù)制備木基氣凝膠并將其作為傳感器骨架材料； 采用浸漬法將氣凝膠骨架浸入導(dǎo)電聚合物PEDOT∶PSS和偶聯(lián)劑3-縮水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷(GOPS)混合溶液中，經(jīng)冷凍干燥后低溫加熱使三者交聯(lián)，制備3D層狀木基微壓傳感器； 在不同條件下，對3D層狀木基微壓傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)形態(tài)表征和電學(xué)、感測性能測試，探討木基氣凝膠骨架與PEDOT∶PSS含固比對壓力傳感器感測性能的影響，以期為開發(fā)基于綠色天然材料的低成本、高性能傳感器提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

輕木樣品切成10 mm×10 mm×10 mm(徑向×弦向×縱向)，用于制備木基氣凝膠。亞氯酸鈉(NaClO2，80%)、冰乙酸(CH3COOH，≥99.7%)、氫氧化鈉(NaOH，96%)、硫酸(H2SO4，95%～98%)購自天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司，3-縮水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷溶液(GOPS，97%)購自阿拉丁化學(xué)有限公司，聚(3,4-乙烯二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸鹽)(PEDOT∶PSS，1.3%，Heraeus Clevios，PH1000)購自上海凱射豐實(shí)業(yè)有限公司。以蒸餾水為處理木材溶劑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

冷凍干燥機(jī)，型號LGJ-12，北京松源華興科技發(fā)展有限公司，用于干燥過程中保持木基氣凝膠原本多孔結(jié)構(gòu)。冷場發(fā)射電子掃描顯微鏡(SEM)，型號S4800，HITACHI公司，用于表征木材、木基氣凝膠、復(fù)合導(dǎo)電氣凝膠的表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)。全自動物理化學(xué)吸附儀Autosorb-iQ，康塔儀器公司，AutoPore Ⅳ 9500，型號V1.09，Micromeritics公司，用于木材、木基氣凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)表征。傅里葉變換紅外光譜儀，型號Nicolet iS50，賽默飛世爾科技，用于定性分析木材纖維組分。柔性傳感器性能檢測系統(tǒng)，型號V2.1.3，由天平、數(shù)字萬用表(Keysight 34410A)和計算機(jī)組成，天津工業(yè)大學(xué)，用于測試柔性壓力傳感器的感測性能。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 木質(zhì)素、半纖維素去除 通過NaClO2、NaOH溶液兩步法選擇性地從細(xì)胞壁中去除木質(zhì)素和半纖維素組分，應(yīng)用冷凍干燥技術(shù)制備木基氣凝膠。利用CH3COOH將質(zhì)量濃度2%的NaClO2溶液pH調(diào)至4.6～4.8，多塊體積1 cm3輕木按1∶50比例浸入NaClO2溶液中95 ℃水浴加熱10 h，用蒸餾水多次洗滌，浸入質(zhì)量濃度8%的NaOH溶液中80 ℃水浴加熱8 h，再次用蒸餾水多次洗滌，經(jīng)冷凍干燥后得到高度多孔的木基氣凝膠。

1.3.2 密度分析 密度計算公式為：

ρ=m/V。

(1)

式中：m代表質(zhì)量；V代表體積。

1.3.3 孔隙結(jié)構(gòu)表征 氮吸附： 處理前木材在160 ℃條件下進(jìn)行脫氣處理，然后使用全自動物理化學(xué)吸附儀對剝離半纖維素和木質(zhì)素制成的木材海綿進(jìn)行氮?dú)馕?脫附試驗(yàn)，溫度-196.15 ℃，可分析孔徑范圍0.35～500 nm。壓汞法： 將木材真空干燥至恒重，控制不同壓力，測量壓入孔中汞的體積，得到對應(yīng)不同壓力孔徑大小的累積分布曲線或微分曲線，壓力范圍3.4～413 688 kPa，可分析孔徑范圍5～340 000 nm。

采用 Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法計算材料孔隙比表面積，Barret Joyner and Halenda(BJH)方法計算材料孔徑分布，比表面積為BET方法測得的小孔比表面積與壓汞法測得的大孔比表面積之和。

1.3.4 傅里葉變換紅外光譜測試 兩步法處理前后的木材經(jīng)KBr干燥、研磨、造粒后，采用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行紅外光譜測試，根據(jù)紅外吸收帶波長位置和吸收譜帶強(qiáng)度分析樣品分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，測試光譜范圍4 000～400 cm-1。

1.3.5 化學(xué)成分分析 酸不溶木質(zhì)素含量(WL)依據(jù) GB/T 2677.8—94 測定。纖維素、半纖維素含量測定： 樣品置于三角燒瓶內(nèi)，向燒瓶內(nèi)加入150 mL20 g·L-1NaOH溶液，安裝冷凝器，沸煮3.5 h提取半纖維素，取出樣品清洗干凈，置于稱量瓶中烘干至恒重，干燥器中冷卻，最后稱重，得到的失重(W1)為半纖維素和部分堿溶木質(zhì)素含量。經(jīng)NaOH溶液處理后的樣品置于72%硫酸中處理24 h，再移至三角燒瓶中用超純水定容至300 mL，煮沸1 h，得到的失重(WC)為纖維素含量，剩余殘渣部分為堿不溶木質(zhì)素含量(W2)。木質(zhì)素含量(WL)減去堿不溶木質(zhì)素含量(W2)為堿溶木質(zhì)素含量(W3)，半纖維素含量(WH)為W1-W3。每種試材測試3個重復(fù)樣。

1.3.6 傳感器制備 按PEDOT∶PSS與GOPS含固比0.25∶0.2、0.5∶0.2、0.75∶0.2配制混合溶液，經(jīng)磁力攪拌分散均勻后采用浸漬法將木基氣凝膠浸入其中，冷凍干燥，浸漬干燥過程重復(fù)1～6次。隨后置于140 ℃烘箱中熱處理30 min，使纖維素、PEDOT∶PSS、GOPS三者交聯(lián)，得到復(fù)合導(dǎo)電氣凝膠介質(zhì)層，3種PEDOT∶PSS比例制備的復(fù)合導(dǎo)電氣凝膠分別記為CPG-0.25、CPG-0.5、CPG-0.75。將介質(zhì)層與電極片制備成電極-氣凝膠介質(zhì)層-電極“三明治”結(jié)構(gòu)，在電極片上引出銅絲作導(dǎo)線，采用聚酰亞胺薄膜將連導(dǎo)線的“三明治”結(jié)構(gòu)封裝制備3D層狀木基微壓傳感器(圖1)。

1.4 壓縮應(yīng)變分析

試樣固定在柔性傳感器性能檢測系統(tǒng)上，以0.1 mm·s-1的壓縮速度進(jìn)行壓縮應(yīng)變試驗(yàn)，基于試樣原始高度(10 mm)和測得的位移變化量得到壓縮應(yīng)變曲線，據(jù)此分析試樣壓縮應(yīng)變性能。

1.5 靈敏度分析

靈敏度是衡量傳感器性能的重要指標(biāo)，指在某壓力范圍內(nèi)，電信號相對變化量與壓力變化量的比值，計算公式為：

(2)

式中：R0為初始電阻； (R-R0)/R0為電阻變化率； ΔP為壓力變化量(kPa)；S為電阻式柔性壓力傳感器的靈敏度(kPa-1)，當(dāng)S大于1 kPa-1時，認(rèn)為傳感器具有優(yōu)秀的靈敏度。

圖1 3D層狀木基微壓傳感器示意Fig.1 Illustration of 3D layered wood-based micro-pressure sensor

2 結(jié)果與分析

2.1 處理前后木材成分和結(jié)構(gòu)變化

化學(xué)處理能夠去除木材結(jié)構(gòu)中半纖維素和木質(zhì)素，在實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的層狀多孔結(jié)構(gòu)方面起著關(guān)鍵作用(Chenetal.， 2018b)。NaClO2去除木質(zhì)素效果良好，堿性條件下較穩(wěn)定，酸性條件下易分解，主要有HClO2、ClO2、ClO3-、Cl-、[O]等成分，其中HClO2是氧化漂白的必要條件，ClO2是氧化漂白的有效成分。酸性NaClO2溶液中的ClO2不僅可以去除細(xì)胞壁中的木質(zhì)素，還能夠滲透到樣品內(nèi)部快速脫除內(nèi)部大量木質(zhì)素(兩步法之步驟1)(吳博士等， 2017)。NaOH溶液中的OH-可以削弱纖維素與半纖維素分子之間的氫鍵，皂化半纖維素與木質(zhì)素分子之間的酯鍵，使木質(zhì)素與碳水化合物之間結(jié)合鍵分離，分裂木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，從而去除半纖維素和木質(zhì)素(兩步法之步驟2)(李鑫等， 2014)。根據(jù)式(1)計算處理前后木材密度(表1)發(fā)現(xiàn)，密度從0.147 g·cm-3降至0.051 g·cm-3，降低65.3%，表明木質(zhì)素和半纖維素組分去除。

圖2 化學(xué)處理前后木材傅里葉變換紅外光譜(a)和化學(xué)成分分析(b)Fig.2 FTIR spectra(a)and chemical composition analysis(b)of natural wood and treated wood

2.1.1 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和化學(xué)成分分析 采用傅里葉變換紅外光譜儀對兩步法處理前后的木材進(jìn)行測試，二者FTIR光譜均顯示2 700 ～3 500 cm-1和500～1 800 cm-12個主要吸收峰區(qū)域，且譜峰位置大致相同(圖2a)。纖維素是木材細(xì)胞壁的主要成分，是由葡萄糖組成的大分子多糖，葡萄糖苷環(huán)中含有—CH2基團(tuán)，3 334 cm-1附近為纖維素結(jié)構(gòu)中O—H寬而強(qiáng)的伸縮振動，2 895 cm-1附近為C—H伸縮振動吸收峰，這2處處理前后沒有明顯變化。處理后木材在1 235 cm-1處和1 720 ～1 736 cm-1之間無半纖維素相關(guān)峰，表明木材中半纖維素已基本去除，位于1 593、1 505和1 462 cm-1處的木質(zhì)素特征峰也在處理后消失，1 426 cm-1處為C—H彎曲振動，1 159 cm-1處為C—O—C吸收帶，1 055 cm-1附近吸收帶為碳氧的吡喃糖環(huán)，處理后木材基本為纖維素結(jié)構(gòu)，化學(xué)成分分析(圖2b)也驗(yàn)證了木質(zhì)素和半纖維素的去除。

2.1.2 木基氣凝膠結(jié)構(gòu)分析 化學(xué)處理后，木材細(xì)胞壁中出現(xiàn)大量孔隙，其氮?dú)馕?脫附等溫線屬典型Ⅱ型等溫線，含有介孔和大孔孔隙(>2 nm)(圖3a)； 處理前后的壓汞-退汞曲線和孔徑分布曲線(圖3b)同樣反映木材大孔吸附，其比表面積為32.75 m2·g-1(表1)。圖 3a吸附等溫線出現(xiàn)回滯環(huán)，表明木基氣凝膠中含有介孔(2～50 nm)，圖3b壓汞曲線和孔徑分布曲線進(jìn)一步證明木基氣凝膠中存在大量介孔和大孔。壓汞法測得的木基氣凝膠比表面積為193.6 m2·g-1(表1)，比表面積增加主要是因?yàn)榛瘜W(xué)處理去除了細(xì)胞壁的填充物質(zhì)(木質(zhì)素和半纖維素等)，使木基氣凝膠骨架中出現(xiàn)大量孔隙。

化學(xué)處理后，木材顏色從黃色變?yōu)榘咨?圖4a、e)，木材結(jié)構(gòu)從包含許多亞單元的格子狀結(jié)構(gòu)(圖4b—d)變?yōu)橐幌盗邢嗷ザ询B的拱形層狀結(jié)構(gòu)(圖4f—h)，各層纖維之間變得多孔。由天然木材衍生的特殊拱形層狀多孔結(jié)構(gòu)不僅輕質(zhì)、密度小(0.051 g·cm-3)，而且孔隙率和比表面積高(表1)，有利于PEDOT∶PSS和GOPS混合溶液的吸附，同時也使得木基氣凝膠具有良好的機(jī)械壓縮性和疲勞性。

NaClO2是一種溫和的氧化劑，除了具有漂白功能外，弱酸性NaClO2溶液能有效去除木質(zhì)素，且不損傷纖維素結(jié)構(gòu)，對半纖維素結(jié)構(gòu)影響也較小。隨著木質(zhì)素逐漸去除，軸向薄壁細(xì)胞變得多孔甚至破碎，而厚木射線(圖4b中黃色虛線部分)能夠保留下來(兩步法之步驟1)； NaOH溶液對其進(jìn)一步處理后，半纖維素水解，同時NaOH溶液可溶解步驟1中殘留的木質(zhì)素，導(dǎo)致薄壁細(xì)胞完全破碎(兩步法之步驟2)。破碎的薄壁細(xì)胞冷凍干燥時在冰模板下與最近未破壞的木射線相連，形成具有多個堆疊和連接拱形層的獨(dú)特層狀多孔結(jié)構(gòu)。

圖4 不同木材樣品的形態(tài)和結(jié)構(gòu)Fig.4 Morphology and structure of different wood samplesa—d.天然木材照片及其徑向、弦向、縱向截面SEM圖像顯示蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)Photographs of natural wood and SEM images of its radial, chordal and longitudinal sections show cellular porous structure； e—h.木基氣凝膠照片及其徑向、弦向、縱向截面SEM圖像顯示層狀結(jié)構(gòu)The photos of wood-based aerogel and its SEM images of radial, chordal and longitudinal sections show a spring-like layered structure.

具有層狀排列結(jié)構(gòu)的木基氣凝膠機(jī)械性能存在各向異性(圖5)，當(dāng)沿平行于堆疊層的弦向(x軸)和縱向(y軸)施加壓力時，因取向纖維彎曲變形，木基氣凝膠易被壓碎或壓實(shí)，完全不同垂直于堆疊層方向(z軸)施加壓力時的高度壓縮回彈性。

圖5 木基氣凝膠的機(jī)械性能Fig.5 Mechanical properties of wood-based aerogel分別沿木基氣凝膠的徑向、縱向、弦向施加壓力，顯示出其各向異性。The anisotropy of wood aerogel is shown by applying pressure along radial direction, chord direction and tangential direction respectively.

2.2 木基氣凝膠與PEDOT∶PSS含固比對壓力傳感器感測性能的影響

通過NaClO2、NaOH溶液兩步法選擇性地從細(xì)胞壁中去除木質(zhì)素和半纖維素組分，應(yīng)用冷凍干燥技術(shù)制備木基氣凝膠并將其作為傳感器骨架材料，采用浸漬法將氣凝膠骨架浸入PEDOT∶PSS和GOPS混合溶液中，經(jīng)冷凍干燥后低溫加熱使三者交聯(lián)，制備3D層狀木基微壓傳感器。浸漬PEDOT∶PSS、GOPS混合溶液后，氣凝膠顏色從白色變?yōu)楹谏?，CPG-0.25、CPG-0.5和CPG-0.75的密度分別為0.075、0.098和0.128 g·cm-3，說明浸漬效果良好。

2.2.1 電導(dǎo)率分析 浸漬PEDOT∶PSS、GOPS混合溶液后，得到復(fù)合導(dǎo)電氣凝膠，木基氣凝膠與PEDOT∶PSS的含固比是該過程的重要參數(shù)，影響導(dǎo)電氣凝膠的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。由圖6可知，CPG-0.25、CPG-0.5和CPG-0.75的電導(dǎo)率為分別為0.02、0.15和3.04 mS·cm-1，表明隨著PEDOT∶PSS含固比增大，復(fù)合導(dǎo)電氣凝膠的電導(dǎo)率不斷增加。

圖6 不同PEDOT∶PSS含固比的復(fù)合導(dǎo)電氣凝膠電導(dǎo)率Fig.6 Electricular conductivity of composite conductive electrical aerogel with different solid ratio of PEDOT: PSS誤差線為95%置信區(qū)間。The error line is 95% confidence interval.

2.2.2 壓縮應(yīng)變分析 復(fù)合導(dǎo)電氣凝膠具有良好的壓縮應(yīng)變性能，CPG-0.25可承受高達(dá)72%的壓縮應(yīng)變(圖7)，并在應(yīng)力釋放后完全恢復(fù)原始高度。隨著PEDOT∶PSS含固比增加，復(fù)合導(dǎo)電氣凝膠最大壓縮應(yīng)變逐漸減小，CPG-0.5最大壓縮應(yīng)變?yōu)?2%，CPG-0.75最大壓縮應(yīng)變僅為51%(圖8)，這可能是隨著浸入木材衍生骨架的PEDOT∶PSS含量逐漸增大，木基氣凝膠特殊的拱形層狀多孔結(jié)構(gòu)不斷縮小，孔隙減少導(dǎo)致的。

圖7 復(fù)合導(dǎo)電氣凝膠的壓縮應(yīng)變Fig.7 Compressive strain of the composite conductive electrical aerogel復(fù)合導(dǎo)電氣凝膠照片顯示其沿層堆疊方向可逆的壓縮性。Photographs of the composite conductive electrical aerogel showing its reversible compressibility along the layer-stacking direction.

圖8 不同PEDOT∶PSS含固比的復(fù)合導(dǎo)電氣凝膠最大壓縮應(yīng)變Fig.8 Maximum compressive strain of the composite conductive electrical aerogel with different solid ratio of PEDOT∶PSS誤差線為95%置信區(qū)間。The error line is 95% confidence interval.

2.2.3 靈敏度分析 圖9所示為不同木基氣凝膠與PEDOT∶PSS含固比條件下3D層狀木基微壓傳感器的相對電阻變化率，曲線斜率反映靈敏度，可以看出，在0～1.5 kPa壓力范圍內(nèi)，CPG-0.75與CPG-0.25、CPG-0.5相比斜率較大。結(jié)合式(2)計算的傳感器靈敏度(表2)發(fā)現(xiàn)，3D層狀木基微壓傳感器的相對電阻變化率-壓力曲線斜率分為3個明顯線性區(qū)域，分別對應(yīng)3個不同靈敏度，且高壓下的靈敏度小于低壓。

表2 不同壓力傳感器的靈敏度和線性度Tab.2 Sensitivity and linearity of different pressure sensors

圖9 不同PEDOT∶PSS含固比的壓力傳感器相對電阻變化率Fig.9 Relative resistance change rate versus pressure of pressure sensor under different solid ratio of PEDOT∶PSS

由此可知，木基氣凝膠與PEDOT∶PSS含固比對3D層狀木基微壓傳感器的靈敏度影響較大。CPG-0.75在微壓(0～1.5 kPa)下靈敏度最高，是因?yàn)镃PG-0.25、CPG-0.5的PEDOT∶PSS含固比較低，導(dǎo)電性差，導(dǎo)致靈敏度低。當(dāng)微小壓力作用在傳感器上時，原來間距較大的位置開始接觸，形成導(dǎo)電通路，使其具有良好的敏感性； 隨著壓力增大，導(dǎo)電通路增多，但增多的導(dǎo)電通路少于微壓時形成的導(dǎo)電通路，故靈敏度降低。

將本研究3D層狀木基微壓傳感器在線性區(qū)域內(nèi)的靈敏度與其他3D柔性壓力傳感器(Changetal.， 2019； Chenetal.， 2020b； Huangetal.， 2018； Pengetal.， 2018； Zhangetal.， 2015； Wuetal.， 2018)對比(圖10)發(fā)現(xiàn)，3D層狀木基微壓傳感器的微壓靈敏度遠(yuǎn)高于其他3D柔性壓力傳感器，分析其原因主要是以往傳感器多是采用冷凍干燥法制備的各向同性的3D多孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在極小壓力條件下對相對電阻變化率的影響不太明顯； 將基底材料碳化后泵送PDMS等組裝的柔性傳感器，雖一定程度上提高了機(jī)械壓縮性能，但PDMS使傳感器的電學(xué)性能下降，對靈敏度會產(chǎn)生一定影響。3D層狀木基微壓傳感器以木材本身衍生出的特殊拱形層狀多孔結(jié)構(gòu)氣凝膠作為壓力傳感器骨架，一方面該骨架結(jié)構(gòu)的機(jī)械可壓縮性好，使傳感器具有良好穩(wěn)定性，另一方面高長徑比、高孔隙率、高比表面積有利于PEDOT∶PSS和GOPS混合溶液的吸附，可有效促進(jìn)木基氣凝膠纖維素纖維、PEDOT∶PSS和GOPS之間的反應(yīng)，提高傳感器導(dǎo)電性能，傳感器在微小壓力作用下能夠產(chǎn)生更多接觸，從而產(chǎn)生較大電阻變化率，使該傳感器具有優(yōu)異的微壓靈敏度； 但該傳感器的高靈敏度線性區(qū)域相對來說不夠?qū)?，有效工作范圍有待提高?/p>

圖10 3D層狀木基微壓傳感器與其他3D柔性壓力傳感器的靈敏度和線性區(qū)域比較Fig.10 Comparison of sensitivity and linear region between 3D layered wood-based micro-pressure sensor and other 3D flexible pressure sensors

2.2.4 壓縮循環(huán)穩(wěn)定性分析 進(jìn)一步進(jìn)行循環(huán)性能測試，以驗(yàn)證最佳含固比條件下3D層狀木基微壓傳感器的可重復(fù)性。圖11所示為CPG-0.75壓力傳感器在2 kPa下5 000個加載-卸載循環(huán)試驗(yàn)的相對電阻變化，可以看出，該過程中相對電阻變化率穩(wěn)定，無明顯電信號波動。此外，在第500次、2 500次、4 500個周期時的10個循環(huán)內(nèi)相對電阻變化率一致且規(guī)則，說明傳感器具有優(yōu)異的重復(fù)性和耐久性。

圖11 CPG-0.75壓力傳感器在2 kPa下5 000個裝載-卸載循環(huán)試驗(yàn)的相對電阻變化率Fig.11 Relative resistance variation rate of CPG-0.75 pressure sensor for 5 000 loading-unloading cycle tests under 2 kPa

3 結(jié)論

木基氣凝膠與PEDOT∶PSS含固比對3D層狀木基微壓傳感器的微壓靈敏度影響較大，隨著PEDOT∶PSS含固比增大，復(fù)合導(dǎo)電氣凝膠的導(dǎo)電性增強(qiáng)，傳感器微壓靈敏度提高。3D拱形層狀多孔木基氣凝膠骨架一方面在微小壓力作用下傳感器能夠產(chǎn)生更多接觸，電阻變化率較大，使傳感器具有優(yōu)異的微壓靈敏度； 另一方面骨架結(jié)構(gòu)機(jī)械可壓縮性好，使傳感器具有良好的穩(wěn)定性。衍生自木材的木基氣凝膠，不僅保留著纖維素的優(yōu)勢特點(diǎn)，而且經(jīng)處理后能夠賦予其密度小、孔隙率高、機(jī)械性能良好的3D層狀多孔形態(tài)特征，可進(jìn)一步開展其在傳感器等柔性電子產(chǎn)品方面的探索，提高產(chǎn)品性能，拓寬應(yīng)用前景。