Page 97 - 《精细化工》2020年第8期
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第 8 期                   张国睿，等:  基于十二烷基衣康酸甘油酯的光电双响应传感器                                   ·1595·


                 电容式传感器由上下 2 个带有离子的可拉伸导                        EQ-2000 微型光纤光谱仪，上海辰昶仪器设备有限
            体和中间的绝缘介电层构成。其电容可以用平行板                             公司；PT-305 型电脑式拉力试验机，东莞市普赛特
            的电容计算公式表示：C=ɛS/(4πkd)（C 是电容，ε 是                    检测设备有限公司；TH2832 型 LCR 数字电桥，常
            介质层的介电常数，k 是静电常数，S 是导体的有效                          州同惠电子股份有限公司；YE5K623195 型自动移
            正对面积，d 是介电层的厚度）              [23] 。电容型传感器          液器，大龙兴创仪器（北京）有限公司；DHG-9053A
            通过检测 S 和 d 的变化来衡量不同的应变，传感器                         型电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；
            的电容变化量可以反映出相关作用力的大小。在实                             SU8220 型冷场发射扫描电镜，日本 Hitachi  High-
            际使用中，传感单元阵列式的排布结构，可以实现                             Technologies 公司；FD-2A 型冷冻干燥机，北京博
            在空间位置上对刺激源分布的识别，但随着检测面                             医康实验仪器有限公司。
            积的扩大，制作工艺会更加复杂，更加繁琐                    [17,24-26] 。  1.2    基于 DGI 的光电双响应传感器的制备
            所以，将光学器件整合到传感器中，可以提高传感                                 首先，将 720 mg 丙烯酰胺、140 mg DGI、4 mg
            器的光学响应效果。目前，已经有很多把光学响应                             TPO、2 mg N,N-亚甲基双丙烯酰胺加入到 5 mL（质
            材料与电学传感器相结合起来的可穿戴器件，例如：                            量分数为 8.3×10 ）的 SDS 水溶液中，在 50  ℃的
                                                                              –8
            有机发光二极管（OLEDs）           [27] 、电致发光材料    [28-29] 、  干燥箱中加热溶解 24 h，得到前驱液。
            电致变色材料       [30] 等。这些可穿戴器件具有高的响应                      将前驱液在 50  ℃的环境下注入厚度为 0.5 mm
            速度、拉伸性能和变色性能。但是大多数都是通过
                                                               的玻璃模具中，用 365 nm 的紫外光固化 10 min 后，
            电或热使光学元件发光或者颜色转换，所以如何构
                                                               将玻璃模具浸泡在去离子水中，3  d 后水凝胶与玻
            建一种在可见光区内对刺激源进行形状和空间位置
                                                               璃模具完全分离。再将水凝胶浸泡在 0.5 L 浓度为
            上可视化识别且消耗能量少的传感器件，仍然是一                                                           [31]
                                                               2.74 mol/L 的氯化钠水溶液中 24 h        ，得到基于 DGI
            项很大的挑战。
                                                               的结构色水凝胶。
                 结构色水凝胶是一种具有机械响应性的可视化                              取 2 块上述水凝胶切割成相同大小（5.0  cm×
            显示材料     [31] ，通常由十二烷基衣康酸甘油酯（DGI）
                                                               1.5 cm），正对放置于 0.5 cm 厚的 VHB 胶带两侧，
            和丙烯酰胺水凝胶相结合制得。这种结构色水凝胶
                                                               形成一种三明治结构，并分别用 2 条导电铜箔胶带
            在受到外力刺激时，其自身颜色在整个可见光区内
                                                               引出。最后用 0.5  cm 厚的 VHB 胶带对三明治结构
            发生动态可逆变化，是一种人类可读的光学信号。
                                                               的外部进行封装，最终制备了一种基于 DGI 的光电
            且整个过程都不需要其他能量的消耗，所以是一种
                                                               双响应传感器，用于后续性能测试。
            可以提供可视化显示效果的理想低功耗材料。因此，
                                                               1.3    结构表征与性能测试
            作者尝试将上述由 DGI 制备的结构色水凝胶与电容
                                                                   SEM：将水凝胶放置于低温环境冷冻 12 h，然
            型传感器相结合来制备既可提供电学信号又可提供
                                                               后冷冻干燥 18 h。最后取其截面进行 SEM 表征。其
            光学信号的传感器件。这种传感器不仅可以保证稳
                                                               中，SEM 工作电压为 20 kV。
            定的电学信号输出，而且可以将自身的受力位置显
                                                                   机械性能测试：采用拉力试验机测试，规定
            示出来，实现人的肉眼可以在空间位置上观察到具
                                                               20  mm/min 的测试速度，分别对传感器进行拉伸以
            体的形变位置，将极大地丰富其在传感方面的应用。
                                                               及压缩测试     [13] 。
            1    实验部分                                              电学性能测试：使用 LCR 数字电桥对传感器的

                                                               电学信号进行测试，交流电压 1 V，测试频率 1 kHz               [13] 。
            1.1    试剂与仪器
                                                                   反射光谱测试：用光纤光谱仪对传感器进行机
                 丙烯酰胺（AM），N,N-亚甲基双丙烯酰胺，AR，
                                                               械性能测试，在正反射条件下测试传感器中结构色
            天津市科密欧化学试剂有限公司；氯化钠，AR，天
                                                               的光子带隙位置。
            津市大茂化学试剂厂；十二烷基硫酸钠（SDS），AR，
            天津博迪化工股份有限公司；二苯基-(2,4,6-三甲基                        2    结果与讨论
            苯甲酰)氧磷（光引发剂 TPO），AR，广州市利厚贸
            易有限公司；DGI，AR，杭州宇昊化工科技有限公                           2.1    传感器的制备与原理说明
            司；VHB 胶带，美国 3M 公司；双面导电铜箔胶带，                            本文制备了一种基于 DGI 的光电双响应传感
            深圳市东盛德意胶粘科技有限公司。                                   器。DGI 是一种非离子型表面活性剂，在少量的离
                 AL104 电子天平，瑞士 Mettler  Toledo 公司；             子型表面活性剂 SDS 的存在下，可以在水中自组装
            ZF-7A 手提式紫外分析仪，上海科兴仪器有限公司；                         形成双分子层。这些双分子层在水中层层堆叠形成
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