基于甘蔗提取物的农业基微孔结构离子聚合物传感器研究

本研究由来自印度德拉敦Graphic Era (Deemed to be) University的Varij Panwar与Sribidhya Mohanty，以及韩国光州科学技术院的Gopinathan Anoop共同完成，并以“Agro-based micropore-structured ionic polymer sensor with enhanced ionic conduction and flexibility”为题，于2021年3月26日在线发表在学术期刊《Sensors and Actuators A: Physical》（卷325，文章编号112716）上。

学术背景 本研究的科学领域属于柔性电子与传感技术，具体聚焦于开发用于可穿戴设备、人机交互等智能应用的柔性传感器。研究背景基于当前物联网（IoT）、电子皮肤（e-skin）、医疗监测等领域的快速发展，对传感器的柔韧性、轻量化、微型化及成本效益提出了更高要求。传统的离子聚合物传感器通常依赖聚电解质和离子液体（ionic liquid）等材料，虽性能良好，但普遍存在材料昂贵、部分具有毒性或缺乏生物相容性等问题。因此，开发一种低成本、环境友好且高性能的新型离子聚合物传感器成为一项重要挑战。本研究旨在利用一种农业基（agro-based）材料——甘蔗提取物（Sugarcane Extract， SCN），与聚乙烯醇（Poly (vinyl alcohol)， PVA）结合，开发一种新型微孔结构离子聚合物传感器。其核心目标是通过引入天然、低成本且富含离子的甘蔗提取物，显著提升PVA基传感器的离子电导率、机械柔韧性及传感性能，同时大幅降低制造成本。

详细工作流程 本研究包含以下几个主要步骤：材料制备与传感器组装、材料表征、性能测试与分析。

1. 材料制备与传感器组装： 研究团队采用溶液浇铸法（solution casting）制备PVA/SCN离子聚合物薄膜。具体流程如下：首先，将PVA粉末在80°C下溶解于去离子水中，持续搅拌约4小时。随后，将过滤后的新鲜甘蔗提取液按不同比例加入PVA溶液中，形成PVA与SCN质量比从1/0.54克到1/2.72克的一系列共混物。研究发现，当SCN比例超过1/2.72克时，混合物会变得过于粘稠，无法形成可用的薄膜。接着，将共混溶液倒入玻璃培养皿中，在真空环境下分别于80°C烘28小时或100°C烘12小时以完全蒸发溶剂，冷却后剥离得到PVA/SCN离子聚合物薄膜。最后，使用银浆通过手工刷涂方式在薄膜两面涂覆电极层，制成待测传感器样品，其典型尺寸为长50毫米、宽15毫米、厚约0.18毫米。

2. 材料表征： 为深入理解材料的结构、成分及相互作用，研究进行了全面的表征分析。

   • 微观结构分析： 使用扫描电子显微镜（SEM）观察了纯PVA及各配比PVA/SCN薄膜的断面形貌。结果显示，纯PVA呈现层状结构，而引入SCN后，薄膜内部形成了长纤维状结构及孔洞。随着SCN含量增加至1/2.72克，孔洞结构更为发达，孔径范围在10-15微米之间。这种微孔结构被认为是提升离子传输和机械柔性的关键。
   • 元素与化学分析： 通过能量色散X射线光谱（EDX）分析，证实了PVA/SCN薄膜中除了PVA原有的碳（C）、氧（O）元素外，还检测到了硫（S）和铁（Fe）元素，这些元素来源于甘蔗提取物，被认为对增强离子电导率有重要贡献。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析揭示了PVA与SCN之间形成了氢键相互作用，证实了两者良好的相容性。
   • 热学与机械性能分析： 通过差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）研究了材料的热性能，发现SCN的加入改变了PVA的玻璃化转变温度和熔点，进一步支持了二者存在相互作用的结论。利用万能材料试验机进行的拉伸测试表明，随着SCN含量增加，薄膜的杨氏模量和拉伸强度下降，而拉伸应变（即延展性）显著提高。PVA/SCN (¹⁄₂.72克) 的拉伸应变达到200%，是纯PVA (83%) 的2.4倍以上，表明其柔韧性得到极大增强。

3. 性能测试与分析：

   • 电学性能测试： 使用阻抗分析仪测量了传感器的介电性能（介电常数、损耗因子）和交流电导率（AC conductivity）。通过电化学阻抗谱（EIS）的奈奎斯特图（Nyquist plot）计算了薄膜的离子电导率。数据表明，所有电学性能参数均随SCN含量的增加而改善。
   • 传感性能测试： 研究搭建了专门的弯曲测试平台来评估传感器的应变传感性能。将传感器贴附在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上，通过弯曲机施加不同幅度（对应不同弯曲应变）和频率的三角波机械信号。使用电流源表实时测量传感器输出的感应电流。测试考察了在不同弯曲应变（0.0036至0.009）和不同频率（0.1 Hz至0.3 Hz）下的传感响应，并进行了长达3600分钟（多次循环）的稳定性测试。

主要结果 1. 材料与结构特性结果： SEM图像直观展示了SCN的引入如何从层状结构转变为多孔纤维网络结构。EDX和FTIR数据提供了SCN中S、Fe元素存在及PVA-SCN氢键形成的直接证据。机械测试数据明确显示，PVA/SCN (¹⁄₂.72克) 的拉伸应变相比纯PVA提升了约13倍，这直接源于SCN纤维网络的增强作用和形成的微孔结构。 2. 电学性能结果： 离子电导率测试结果显示，PVA/SCN (¹⁄₂.72克) 薄膜在湿润状态下的离子电导率达到2.9 × 10⁻⁵ S/cm，是纯PVA (6.65 × 10⁻⁷ S/cm) 的约43倍。介电常数和AC电导率也随SCN含量增加而显著提高，在特定频率范围出现波动，研究认为可能与共振频率有关。这些电学性能的提升为高灵敏度传感奠定了基础。 3. 传感性能结果： 弯曲应变传感测试是本研究最核心的性能验证。结果显示，PVA/SCN传感器的感应电流密度随SCN含量增加而稳步提高。性能最优的PVA/SCN (¹⁄₂.72克) 传感器在0.009弯曲应变下，产生的感应电流密度最高。经对比，其传感电流分别是商用Nafion离子聚合物传感器的1100倍，以及另一种PVDF/PVP/离子液体基传感器的1.65倍。此外，感应电流输出随施加的弯曲应变和频率的增加而增加。长期稳定性测试表明，PVA/SCN (¹⁄₂.72克) 传感器在长时间循环测试中表现出更稳定、更高的传感信号，而低SCN含量的样品在约1000次循环后信号开始衰减，这可能与水分蒸发有关。

结论与价值 本研究成功开发并验证了一种基于农业废弃物（甘蔗）提取物的新型低成本、高性能微孔结构离子聚合物传感器。结论表明： 1. 科学价值： 首次将天然甘蔗提取物作为一种“绿色”离子源和结构改性剂应用于离子聚合物传感器的设计。系统揭示了SCN的引入通过提供S、Fe等导电离子、与PVA形成氢键、构建微孔/纤维网络结构等协同机制，从本质上同时提升了材料的离子电导率、介电性能和机械柔韧性，这为未来设计基于天然产物的多功能复合材料提供了新的思路和实验依据。 2. 应用价值： 所开发的PVA/SCN传感器展现出卓越的应变传感性能（高灵敏度、良好的稳定性）和极低的制造成本（约每78平方厘米0.023美元）。这使其在可穿戴传感器、电子皮肤、湿度传感器、人机接口、执行器、以及作为燃料电池/电池/超级电容器的隔膜等多种应用场景中具有巨大的应用潜力，符合绿色、可持续和低成本电子器件的发展趋势。

研究亮点 1. 材料创新： 首次提出并实现了将甘蔗提取物这一常见、可再生、低成本的农业副产品作为功能组分用于高性能离子聚合物传感器，具有显著的原创性和绿色环保特征。 2. 性能突破： 所制备的传感器在关键性能指标上实现了对传统商用材料（如Nafion）和合成离子液体体系的显著超越，特别是在传感电流输出方面提升达千倍量级，同时保持了优异的柔韧性和稳定性。 3. 机理清晰： 研究通过系统的表征手段（SEM, EDX, FTIR, 拉伸测试等），将宏观性能（传感、导电、机械）的提升与微观结构（多孔、纤维网络）、化学成分（S, Fe元素）及分子间相互作用（氢键）明确关联，构建了完整的“结构-性能”关系图谱。 4. 成本优势显著： 明确给出了传感器的极低材料成本估算，突出了其在产业化应用中的巨大经济性优势。

其他有价值内容 论文还详细讨论了与传统柔性传感器制备方法（如纳米材料断裂、薄膜裂纹扩展）相比，本方法的简易性和可扩展性。同时，作者团队指出，这种农业基离子聚合物在未来可能拓展至水净化过滤等领域，展现了其作为多功能平台材料的潜力。文末附有作者贡献声明及基金资助信息（印度科学与工程研究委员会及韩国国家研究基金会），表明了研究的合规性与支持背景。