《纤维素掺杂高分子复合材料在柔性导电传感领域的应用潜力研究》文献综述
摘要：柔性导电传感器件具有轻质、便携、可以折叠等优点，在未来人工皮肤，可穿戴电子设备，人体健康探测方面都具有广阔的应用前景。高分子是一种质轻、柔韧性优良的基底材料。以高分子为基底制备的复合柔性导电传感器件具有良好的柔韧性和优异的机械性能。然而，高分子作为基底材料仍然存在一些问题，如热稳定性差、热膨胀系数大等。纤维素是一种来源广泛、质轻、生物相容性好、柔韧性强，热学性能稳定的天然生物高分子材料。近些年来，利用掺杂纤维素来提高高分子复合柔性导电材料的热学性能和机械性能得到了广泛的研究。基于此，本文章总结了利用不同纤维素衍生物来掺杂高分子复合材料制备柔性导电凝胶和柔性导电高分子膜的研究。
关键词：柔性传感器 高分子 纤维素 碳纳米管
Abstract: The flexible conductive sensor has the advantages of light weight, portability and foldability, which has promising application potentials in artificial skin, wearable electronic devices and human health detection in the future. Polymer is a kind of light, flexible matrix material. Polymer based conductive sensor has outstanding flexibility and excellent mechanical properties. However, the defects of the polymer matrix such as poor thermal stability and high coefficient of thermal expansion might limit its applications. Cellulose is a kind of natural biopolymer material which is abundantly available, light, biocompatible, flexible and thermal stable. In recent years, the application of cellulose to improve the thermal and mechanical properties of conductive polymer composites has been widely studied. Thus, this paper summarizes the research on the preparation of cellulose and its derivatives doped flexible conductive polymer based hydrogels and membrane.
Keywords: flexible sensor; polymer; cellulose; carbon nanotube
1 引言
随着信息技术的快速发展，柔性、可多次循环和可穿戴电子设备迅速进入大众视野并引起广泛关注[1]。近些年来，应用于可穿戴电子设备的柔性导电传感器也进入现代电子技术、生物医疗等相关学科领域[2]。其具备的可穿戴性、舒适性、反馈及时以及操作多元化的特点使其在人体运动检测和健康管理方面具有强大的应用的潜力[3]。柔性传感器是可穿戴电子设备的重要组成构件，常见的柔性传感器如应变传感器、电化学传感器、温度/湿度传感器等都可以通过粘附在纺织物或人体皮肤上对人体健康，运动进行检测反馈[4-5]。
可穿戴传感器必须满足几个必要条件，具体包括：宽检测范围和低检测限、高灵敏度、响应快速、重复利用性、循环稳定性、质轻易携带、高柔韧性，以及与人体贴合的可行性和生物相容性[6]。应变传感器是一种常见的可穿戴传感器，其通过检测基于应变下的电学信号变化（例如电阻和电容）来实时反馈机械变形和外部刺激，从而达到监测人体运动和健康信号的目的[7]。而现如今，市场流通传统的金属和半导体应变传感器普遍柔韧性低、灵敏度不够、应变范围局限，这并不适用于对人体运动以及健康信号监测的监测。因此，对高柔韧性、兼具高应变灵敏度和宽应变感应范围的应变传感器的研究意义重大。
导电电极是应变传感器的重要组件，但传统单晶硅和金属材料电极具有其固有的刚性和脆性，这阻碍了其与人体的贴合以及需要大变形情况下的变形，与高柔韧性的要求是相互矛盾的。为了实现导电电极的可拉伸、高柔韧性，通常会采用柔性材料作为应变传感器的基质赋予传感器高弹性，同时通过复合导电材料来提供导电率。鉴于基底对于柔韧性、成膜性以及成本的要求，高分子成为了理想选择[8]。但是，高分子作为基底材料仍然存在一些其自身固有的问题，如不耐高温、热稳定性差、热膨胀系数大等。为了进一步提升基底的热学性能，引入增强相成为了一种选择。纤维素是一种来源广泛、质轻、生物相容性好、柔韧性强，热学性能稳定的天然生物高分子材料[9-10]。此外，纤维素上大量的活性基团给高分子柔性导电材料的性能制备带来了更多的可能性。因此，近些年来，利用掺杂纤维素来提高高分子复合柔性导电材料的热学性能和机械性能得到了广泛的研究。在本文，将会探讨利用不同纤维素衍生物来掺杂高分子复合材料制备柔性导电凝胶和柔性导电高分子膜的研究。
2 柔性应变传感器
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