【原】厦门大学李秋红Anal. Chem.：高度透气、可拉伸和可定制的TPU泡沫用于柔性气体传感器！

崛步化学 2023-10-19 发布于北京

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研究内容

空气质量的连续实时监测在环境监测、人身安全和医疗保健领域具有重要意义。最近，柔性气体传感器因其集成到各种智能可穿戴电子设备和显示设备中的潜力而广受欢迎。然而，开发具有卓越灵敏度、透气性和可拉伸性的气体传感器仍然是一个挑战。

厦门大学李秋红报道了一种新型高孔隙率热塑性聚氨酯(HP-TPU)泡沫用于气体传感器，该泡沫具有大的三维网络结构和优异的力学性能。进一步将传感材料涂覆在PET柔性叉指电极上，并夹在两个HP-TPU泡沫层之间，用于气体敏感性测试。由于气体容易在孔隙之间扩散并与传感材料接触，与T-TPU泡沫相比，HP-TPU泡沫的平均响应时间显著缩短85%，平均回收时间显著缩短46%。作者成功开发了一种可穿戴传感设备，包括传感、数据处理和无线传输模块，实现了户外测试，并实现了ppb水平的检测范围。相关工作以“Highly Breathable, Stretchable, and Tailorable TPU Foam for Flexible Gas Sensors”为题发表在国际著名期刊ACS Sensors上。

研究要点

要点1. 作者采用简单的蒸汽诱导法制备了适用于大规模生产的高度透气、可拉伸和柔性的热塑性聚氨酯(TPU)泡沫。由于泡沫的内部和外部固化速率的差异，蒸汽在泡沫内部积聚并引起膨胀，从而形成大的三维网络结构。

要点2. HP-TPU泡沫具有77.5%的孔隙率、260%的应变能力和0.45MPa的杨氏模量，与先前报道的通过干燥方法制备的传统TPU泡沫(T-TPU)相比，分别提高了35%、31%和80%。此外，泡沫具有高透气性(312 g/m^-2，24小时)和优异的稳定性，即使在70%应变下进行2000次循环后仍然完好无损。

要点3. 作者将传感材料涂覆在PET柔性叉指电极上，并夹在两个HP-TPU泡沫层之间，用于气体敏感性测试。由于气体容易在孔隙之间扩散并与传感材料接触，与T-TPU泡沫相比，HP-TPU泡沫的平均响应时间显著缩短85%，平均回收时间显著缩短46%。成功开发了一种可穿戴传感设备，包括传感、数据处理和无线传输模块，实现了户外测试，实现了ppb水平的检测范围。细胞毒性测试结果证实，这种柔性气体传感器没有危害人体健康。

这些结果证明，该HP-TPU泡沫是柔性气体传感器的理想基体，在人机无缝集成领域显示出巨大的应用潜力。

研究图文

图1.（a）HP-TPU泡沫的制备工艺。（b）蒸汽诱导法的机理。

图2.（a）HP-TPU泡沫的横向截面的SEM。（c，d，e）横向截面的局部放大图像。（g，h）HPTPU泡沫表面的图像。（i，k）HP-TPU泡沫的横截面。（b，f，j）a、e和i部分的3D图像。（l）HP-TPU泡沫的孔隙率统计结果。

图3. 不同样品对（a）水、（b）乙醇和（c）甲苯的透气性。（d）不同气体下HP-TPU泡沫的平均蒸发量。T-TPU泡沫和HP-TPU泡沫的（e）FTIR光谱和（f）典型应力-应变曲线。（g）HP-TPU泡沫在不同应变下的I-V曲线。（h）HP-TPU泡沫在70%应变下2000次循环/30000 s的耐久性测试。

图4.（a）柔性气体传感器的制造工艺。（b）基于PET的柔性叉指电极和柔性气体传感器的图像。（c）T-TPU和HP-TPU柔性气体传感器(SnO₂/GO)对100 ppm不同气体的响应。对照样品是没有覆盖泡沫的SnO₂/GO涂覆的柔性叉指电极。不同样品对（d）100 ppm丙酮和（e）100 ppm甲苯的响应。（f）不同样品对100 ppm丙酮的响应和回收时间。HP-TPU柔性气体传感器，（g）100 ppm丙酮的连续响应测试和（h）不同浓度的丙酮。

图5.（a）柔性气体传感器交互系统的示意图。（b）HP-TPU泡沫的拉伸图像和不同形状的柔性气体传感器。（c）放大器、单片机和蓝牙模块的照片。（d）柔性气体传感器(SnO₂/GO)在不同天数后对100 ppm丙酮进行连续动态测试。（e）柔性气体传感器(SnO₂/GO)在不同天数后对100 ppm的不同气体的响应。（f）柔性气体传感器(SnO₂/GO)在不同天数后对不同浓度丙酮的响应。（g）柔性气体传感器(SnO₂/GO)在不同的弯曲循环后，在室温下弯曲和延伸到100 ppm丙酮的状态下的气体传感性能。所有测试均在25°C和45%相对湿度下进行。