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电子皮肤再现新功能,不仅阻燃,还能报警!

发表时间:2020/6/4

随着柔性可穿戴设备快速发展,电子皮肤成为应用于人机交互界面的重要材料,其安全性变得十分重要。近日,上海科技大学的研究团队以天然蚕丝蛋白和钙离子为原料,制备了一种透明、可拉伸、可自修复、高安全性的导电电子皮肤材料,这种材料具有良好的阻燃特性。该研究团队深度探究了其阻燃机理,并开发了一种在极端条件下可以通过无线信号传递信息的预警系统,为进一步设计新型离子皮肤、提升可穿戴设备的安全性提供了新思路。


SFCIS的制备与展示


作者采用了两种不同的方法来制备丝素蛋白钙离子电子皮肤(SFCIS),以满足不同应用场景的需求。SFCIS具有高透明性,通过调控钙离子含量可以控制SFCIS在环境中的力学性能,使其与生物组织的模量相当,应用性能更强。同时,SFCIS具有良好的可拉伸性质(伸长率高达1200%)和导电性(1.96 mS·cm-1),能够满足可穿戴器件的需求。在水蒸汽环境中,SFCIS还具有良好的自愈性能。


SFCIS的力学性能


钙离子的引入,可使材料与环境进行物质交换,同时保持了材料中结合水的稳定性。结合水的存在,一方面为该电子皮肤材料提供了大量氢键,使其具有较高的韧性和自愈能力。另一方面,当材料暴露在燃烧环境下时,钙离子螯合水可使材料在接触火焰的第一时间吸热、汽化,并迅速膨胀,对内部基底形成保护。因此这类电子皮肤材料具有很好的阻燃特性。


SFCIS的阻燃机理及燃烧表面的SEM图


该团队运用热质联用(TGA-MS)表征手段,精确分析了不同燃烧反应阶段下材料各组分的变化,从而推测其阻燃过程包括脱水、炭化层膨胀、多层屏蔽和自由基淬灭等。在极限氧指数测试的实验中,SFCIS表现出可与工程塑料媲美的阻燃性能,并且在燃烧实验中不会发生复燃、熔滴等二次危害行为,极大保障了材料在火灾环境下的安全性。

实际应用中,该团队还基于SFCIS电导率随燃烧程度的变化情况,开发出一种火灾无线预警系统。

总体来说,该团队基于天然蚕丝蛋白,利用简单的方法制备出具有良好的导电性、力学性能、自修复性能和阻燃性的离子导体电子皮肤材料,为研究这类材料燃烧机制提供了可行的方案,也为新型人造皮肤设计提供了新的思路,对提升可穿戴设备安全性有重要的启示。


(来源:纺织导报官微)