Adv. Funct. Mater.：基于任意基底的可視化輔助智能熱敏傳感器—導電聚合物

【引言】

熱輻射傳感器一直被認為是監測溫度的最“高科技的”解決方法。熱輻射傳感器在能量優化、夜視、體溫測試和許多能源領域都有應用。然而，基于常規的熱輻射傳感器昂貴、靈敏度低的問題，急需研發一種價廉且測試靈敏度高的熱敏傳感器。另外，導電聚合物也由于其優異的性能在很多智能傳感器領域被廣泛應用。因此，本文所制備的基于導電聚合物的可視化輔助智能熱敏傳感器能夠提高三個平臺的表面溫度測試，并且通過熱致變色樹脂可視化指導測試過程中的顏色變化，為熱輻射傳感器的發展提供了新的思路。

【成果簡介】

日前，中科院物理研究所薛面起研究員和中科院理化技術研究所季君暉教授(共同通訊作者)等人在Advanced Functional Materials上以題為 “Conducting Polymer Based Visual-Aided Smart Thermosensors on Arbitrary Substratesy” 發表了有關熱敏傳奇的最新研究。本文采用原位無溶劑聚合的方法制備得到了導電聚合物并將其與溫敏樹脂和液晶材料直接混合，得到了可視化輔助的熱敏傳感器，其通過熱致變色樹脂和液晶材料提供了在線的觀察溫度變化，并基于導電材料的阻抗變化實現了高靈敏度的熱敏傳感性能。因而，本文所得到的智能傳感器在實際應用中將會“前途無量”。

【圖文導讀】

圖1 不同基底的聚吡咯(PPy)基的熱敏傳感器的熱敏性能

(a) 基于PPy生長的不同基底的阻抗和溫度變化的關系，圖中不同顏色的實線為擬合結果；

(b) 以非織造織物為基底的PPy熱敏傳感器的對于曲線，阻抗隨測試溫度減小，插圖顯示的為紙基熱敏傳感器分辨率為下降0.1℃，擬合的實線斜率代表了電阻與溫度的相關性；

(c) 基于23-40℃溫度變化區間的玻璃基PPy熱敏傳感器的溫度靈敏性；

(d) 玻璃基底PPy熱敏傳感器在加熱和冷卻之間的溫度性測試，RT代表不同溫度下的阻抗。

圖2 兩平臺紙基可視化輔助熱敏傳感器(VAST)的阻抗變化與溫度之間的關系

(a) 測試溫度為26，27，28和32℃；

(b) 測試溫度為33和37℃；

(c) 測試溫度為42和46℃；

(d) 測試溫度為63,64,65和67℃。

其中插圖為可視化輔助熱敏傳感器的顏色變化圖，該顏色變化可粗略的提高溫度變化信號，便于及時進行準確測量。

圖3 三平臺的VAST傳感器的標準溫度曲線

(a) 紙基VAST傳感器的阻抗與溫度之間的標準曲線，插圖為三平臺VAST傳感器利用液晶材料作為過渡顏色變化的敏感材料圖，其靈敏度提高了近2℃，是兩平臺VAST傳感器的一倍多；

(b) 兩平臺VAST傳感器阻抗與溫度變化的關系；

(c) 溫度與阻抗的線性相關圖，插圖為18阻抗的傳感器，左邊為設定溫度，右邊為室溫；

(d) 不同數量的阻抗與溫度變化的相關性圖，插圖提高的為特定形態的傳感器數據。

圖4 PPy基VAST傳感器的靈活性測試

(a) 不同狀態下紙基VAST熱敏傳感器的阻抗變化；

(b) 數次彎曲測試后的VAST阻抗變化，紅線代表彎曲前，綠線代表彎曲后，插圖即是舒展態和彎曲態的照片；

(c) 在PDMS基底上的PPy基熱敏傳感器的應力與阻抗的關系，室溫下在拉伸測試中應力變化為200%；

(d) 拉伸(120%)狀態DMS基底上的PPy基熱敏傳感器的應力變化，在應力釋放后阻抗幾乎保持不變，插圖為拉伸前后的狀態。

圖5 熱敏傳感器在不同領域的應用

(a) 三平臺VAST傳感器用于醫療溫度計，其可穿戴在手腕、腿和身體其他部位；

(b) 基于VAST傳感器實時監測鋰離子電池危險狀態變化智能電池，其包括過熱測試、過充測試和短路測試；

(c) VAST傳感器作為環境監測系統對瓶子進行監測，其中數字代表華氏和攝氏溫度。

【小結】

本文采用將溫敏樹脂和液晶分子與原位無溶劑法合成的PPy混合的簡單的方法制備了廉價的新型VAST傳感器，樹脂可以提供第一平臺的顏色變化，液晶材料提高第二平臺的顏色變化，從而便于進一步精確測試溫度，該設計理念提供了實時在線監測技術并可實現早期預警，從而更加高效的獲取溫度變化數據。同時，該傳感器具有高分辨率、高穩定性和不同基底的適應性，能夠為將來該類傳感器的實際應用提供更寬闊的領域和機會。

文獻鏈接: Conducting Polymer Based Visual-Aided Smart Thermosensors on Arbitrary Substrates (Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201702706)

本文由材料人編輯部高分子組點點編譯。材料牛審核整理。

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