Adv. Funct. Mater.：基于任意基底的可视化辅助智能热敏传感器—导电聚合物

【引言】

热辐射传感器一直被认为是监测温度的最“高科技的”解决方法。热辐射传感器在能量优化、夜视、体温测试和许多能源领域都有应用。然而，基于常规的热辐射传感器昂贵、灵敏度低的问题，急需研发一种价廉且测试灵敏度高的热敏传感器。另外，导电聚合物也由于其优异的性能在很多智能传感器领域被广泛应用。因此，本文所制备的基于导电聚合物的可视化辅助智能热敏传感器能够提高三个平台的表面温度测试，并且通过热致变色树脂可视化指导测试过程中的颜色变化，为热辐射传感器的发展提供了新的思路。

【成果简介】

日前，中科院物理研究所薛面起研究员和中科院理化技术研究所季君晖教授(共同通讯作者)等人在Advanced Functional Materials上以题为 “Conducting Polymer Based Visual-Aided Smart Thermosensors on Arbitrary Substratesy” 发表了有关热敏传奇的最新研究。本文采用原位无溶剂聚合的方法制备得到了导电聚合物并将其与温敏树脂和液晶材料直接混合，得到了可视化辅助的热敏传感器，其通过热致变色树脂和液晶材料提供了在线的观察温度变化，并基于导电材料的阻抗变化实现了高灵敏度的热敏传感性能。因而，本文所得到的智能传感器在实际应用中将会“前途无量”。

【图文导读】

图1 不同基底的聚吡咯(PPy)基的热敏传感器的热敏性能

(a) 基于PPy生长的不同基底的阻抗和温度变化的关系，图中不同颜色的实线为拟合结果；

(b) 以非织造织物为基底的PPy热敏传感器的对于曲线，阻抗随测试温度减小，插图显示的为纸基热敏传感器分辨率为下降0.1℃，拟合的实线斜率代表了电阻与温度的相关性；

(c) 基于23-40℃温度变化区间的玻璃基PPy热敏传感器的温度灵敏性；

(d) 玻璃基底PPy热敏传感器在加热和冷却之间的温度性测试，RT代表不同温度下的阻抗。

图2 两平台纸基可视化辅助热敏传感器(VAST)的阻抗变化与温度之间的关系

(a) 测试温度为26，27，28和32℃；

(b) 测试温度为33和37℃；

(c) 测试温度为42和46℃；

(d) 测试温度为63,64,65和67℃。

其中插图为可视化辅助热敏传感器的颜色变化图，该颜色变化可粗略的提高温度变化信号，便于及时进行准确测量。

图3 三平台的VAST传感器的标准温度曲线

(a) 纸基VAST传感器的阻抗与温度之间的标准曲线，插图为三平台VAST传感器利用液晶材料作为过渡颜色变化的敏感材料图，其灵敏度提高了近2℃，是两平台VAST传感器的一倍多；

(b) 两平台VAST传感器阻抗与温度变化的关系；

(c) 温度与阻抗的线性相关图，插图为18阻抗的传感器，左边为设定温度，右边为室温；

(d) 不同数量的阻抗与温度变化的相关性图，插图提高的为特定形态的传感器数据。

图4 PPy基VAST传感器的灵活性测试

(a) 不同状态下纸基VAST热敏传感器的阻抗变化；

(b) 数次弯曲测试后的VAST阻抗变化，红线代表弯曲前，绿线代表弯曲后，插图即是舒展态和弯曲态的照片；

(c) 在PDMS基底上的PPy基热敏传感器的应力与阻抗的关系，室温下在拉伸测试中应力变化为200%；

(d) 拉伸(120%)状态DMS基底上的PPy基热敏传感器的应力变化，在应力释放后阻抗几乎保持不变，插图为拉伸前后的状态。

图5 热敏传感器在不同领域的应用

(a) 三平台VAST传感器用于医疗温度计，其可穿戴在手腕、腿和身体其他部位；

(b) 基于VAST传感器实时监测锂离子电池危险状态变化智能电池，其包括过热测试、过充测试和短路测试；

(c) VAST传感器作为环境监测系统对瓶子进行监测，其中数字代表华氏和摄氏温度。

【小结】

本文采用将温敏树脂和液晶分子与原位无溶剂法合成的PPy混合的简单的方法制备了廉价的新型VAST传感器，树脂可以提供第一平台的颜色变化，液晶材料提高第二平台的颜色变化，从而便于进一步精确测试温度，该设计理念提供了实时在线监测技术并可实现早期预警，从而更加高效的获取温度变化数据。同时，该传感器具有高分辨率、高稳定性和不同基底的适应性，能够为将来该类传感器的实际应用提供更宽阔的领域和机会。

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

本文由材料人编辑部高分子组点点编译。材料牛审核整理。

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