随着人工智能的迅猛发展，高性能的压力传感器在人造假肢、智能机器人、电子皮肤和可穿戴电子等方面应用广阔。基于传统金属和无机半导体材料的压力传感器灵敏度高、响应快、稳定性好，但是传感范围有限，柔韧性差，且制备复杂，成本高昂。
而基于导电聚合物复合材料（conductive polymer composites，CPC）的压阻式压力传感器，结构简单、柔韧性好且便于收集信号。施加外部压力的情况下，会立刻引起导电聚合物复合材料内部导电网络的重新排列，从而导致电阻的变化。而具有典型三维结构的导电聚合物复合材料由于其低密度、高孔隙率和良好的弹性被认为是压阻式传感器的理想选择。
【压力传感、油水分离两不误】
近日，郑州大学申长雨院士团队刘春太、刘虎等人与中科院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰等人合作，通过冷冻干燥和热亚胺化工艺，研制出具有典型“层状支撑（layer-strut）”的多级纳米纤维结构的导电聚酰亚胺纳米纤维(PINF)/MXene复合气凝胶。得益于PINF和MXene之间的多孔结构和牢固的结合，该复合气凝胶的密度低至9.98 mg cm-3，可承受-50 ~ 250℃的恶劣温度，高达90%的应变，以及超过1000次循环的抗疲劳能力。用作压敏电阻传感器时，感应能力可达85.21 kPa（对应90%的应变)，表现出超低的检测极限0.01 kPa（对应0.5%的应变)，超过1000个周期抗疲劳特性以及极端环境下优秀的稳定性和再现性。此外，复合气凝胶的疏水性和多级孔状结构还具有良好的油水分离性能，吸附量高达55.85 ~ 135.29 g g -1，可循环利用。该研究有望为人体运动/物理信号检测和高效的油水分离提供一种新型多功能平台，并以“Lightweight, Superelastic, and Hydrophobic Polyimide Nanofiber /MXene Composite Aerogel for Wearable Piezoresistive Sensor and Oil/Water Separation Applications”为题发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。
【复合材料，性能更优】
图1 PINF/MXene复合气凝胶制备
作者制备了横向尺寸600 nm，厚度仅6 nm的高质量透明二维MXene纳米片。由于纳米片表面极性和亲水基团（-O,-OH,-F），作者选用去离子水作为分散介质，形成了稳定的胶体悬浮液。并采用氧等离子体处理，提高了PINF的亲水性，成功获得均相PINF/MXene混合物。随后以水溶性聚酰胺酸(PAA)作为粘合剂，在气凝胶形成过程将分散的PINF和MXene粘合在一起。在经过热亚胺化处理后，PAA最终转化为PI，将PINF-PINF和PINF-MXene连接，大大提升复合气凝胶的结构稳定性（图1）。
图2 PINF/MXene复合气凝胶的形貌与结构
微观形貌显示，纯PINF气凝胶呈现各向同性的开孔结构，孔隙大小80-100μm。这些孔隙形成的原因主要是溶剂晶体成核，以及溶剂晶体和PINF之间的相分离。对于PINF / MXene复合气凝胶，除了分层的开孔结构，溶剂晶体的增长和扩张使二维MXene纳米片呈现出取向性，导致了有序的分层结构，其中PINF作为支柱连接相邻层，层间距约为100 μm。每一层的层状结构主要由2D MXene纳米片和1D PINF组成，并通过热亚胺化的PAA强力焊接 (图2)。
【低密度、高弹性】
图3 PINF/MXene复合气凝胶的力学与电学性能
MXene的含量对PINF/MXene复合气凝胶的容重、电导率和力学性能有显著影响。MXene能够阻止制备过程中气凝胶的骨架的收缩。与纯PINF气凝胶相比(16.63 mg cm -3)，复合气凝胶的密度大大降低（9.98 mg cm -3）。随着MXene含量的进一步增加,气凝胶骨架逐渐趋于稳定，导电率显著提高。力学测试显示，复合气凝胶的抗压强度和模量明显优于纯PINF气凝胶，且MXene含量越高，复合气凝胶的抗压强度和模量越高。这主要归功于特殊的三维层状支撑结构和MXene与PINF良好的界面相互作用，导致了外压下的有效荷载传递。
图4 PINF/MXene复合气凝胶的压感特性及其实时检测功能
将该复合气凝胶用作压力传感器，表现出了低至0.01 kPa的监测极限（对应0.5%的压缩应变），以及高达85.21 kPa的感应能力（对应90%的应变）。同时表现出良好的循环稳定性和重复性。在1%的瞬时应变下，其快速响应时间为220 ms，恢复时间为140 ms，同时还可以在-50 ~ 250℃的温度下正常工作。上述优异特性彰显了该复合气凝胶在人体运动、人体物理信号检测等方面的应用潜力。
【除了传感，还可以用作油水分离】
图5 PINF/MXene复合气凝胶油水分离功能
此外，将该复合气凝胶浸入水中后，表面便显出强烈的光反射，这是滞留的空气层导致的光的全反射，有效地阻止了其被润湿。得益于其低密度和多孔结构，复合气凝胶能够有效吸附正己烷、乙醇、异丙醇、大豆油、丙酮、乙酸乙酯、乙二醇和CCl 4等多种油和有机溶剂，吸附量高达55.85 ~ 135.29 g g -1。其吸附能力远超之前文献中的油水分离材料（如聚乳酸泡沫、石墨烯/聚氨酯海绵、聚酰亚胺/MXene气凝胶等）。
总结：作者通过冷冻干燥和热亚胺化工艺，研制出具有典型分层的“层状支撑”纳米纤维胞状结构的导电聚酰亚胺纳米纤维(PINF)/MXene复合气凝胶。密度低至9.98 mg cm -3，可承受-50 ~ 250℃的恶劣温度，高达90%的应变，以及超过1000次循环的抗疲劳能力。用作压敏电阻传感器时，感应能力可达85.21 kPa，表现出超低的检测极限0.01 kPa。复合气凝胶的疏水性和多级孔状结构还具有良好的油水分离性能，吸附量高达55.85 ~ 135.29 g g -1。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202008006