基于Laponite水凝胶衍生PDMS多孔层的高性能电容式压力传感器的绿色简易制备

为解决柔性电容式压力传感器制备过程中存在的工艺复杂、环境不友好及性能受限等问题，研究人员创新性地利用Laponite(LT)无机水凝胶作为多功能模板，通过物理共混和热固化技术制备了高孔隙率、低弹性模量的PDMS-LT多孔介电层。实验表明，该传感器在低压区(<3 kPa)灵敏度达0.447 kPa-1，压缩模量仅3.8 kPa，且经10,000次循环后性能稳定。该研究为运动分析、康复医学等领域提供了新型传感器解决方案，兼具环保性与规模化生产潜力。

　　

随着智能可穿戴设备与物联网的迅猛发展，柔性压力传感器因其独特的柔韧性、轻量化特性，在健康监测和人机交互领域展现出巨大潜力。然而，传统传感器面临两大瓶颈：一是依赖光刻或化学蚀刻制备的微结构PDMS薄膜，虽能提升灵敏度但检测范围受限（0-10 kPa），且工艺复杂、成本高昂；二是多孔PDMS介电层虽能扩展压力检测范围，但牺牲模板法存在残留污染风险，化学发泡法则面临孔隙率低和环境危害问题。如何通过绿色简易的工艺实现高性能传感器的制备，成为学界亟待突破的难题。

针对这一挑战，中国某高校研究团队在《Materials Today Communications》发表了一项创新研究。他们巧妙利用Laponite-RD(LT)无机水凝胶的双重功能——既作为孔隙模板又作为极化增强剂，开发出具有高灵敏度和宽检测范围的PDMS-LT多孔介电层。该研究通过将LT水凝胶均匀分散于PDMS前驱体中，利用其自组装"卡片屋"结构在热固化过程中稳定孔隙形态，最终获得孔隙率可调、压缩模量仅3.8 kPa的柔性介电材料。实验证实，该传感器在<3 kPa低压区灵敏度达0.447 kPa^-1，并能稳定捕捉从关节运动到轻触动作的多种压力信号，循环稳定性超过10,000次。这项研究不仅提供了一种无需有机溶剂的环保制备方案，更通过LT纳米片的离子位移极化和界面极化效应，实现了介电性能与力学性能的协同优化，为康复医学和运动分析等领域提供了新的技术选择。

关键技术方法包括：1) LT水凝胶模板法（将3 g LT分散于97 g去离子水形成凝胶）；2) PDMS-LT物理共混工艺；3) 热诱导固化形成多孔结构；4) 通过调整LT含量（0-30 wt%）调控孔隙率与力学性能；5) 采用平行板电极结构构建电容式传感器。

Morphology and Structure of Laponite Hydrogel
通过光学照片和结构解析证实，LT水凝胶由纳米片自组装形成三维网络结构，其化学式为Na^+0.7[(Si₈Mg_5.5Li_0.3)]O₂₀(OH)₄]^-0.7，层间钠离子可引发位移极化。

Conclusion
研究成功开发出基于PDMS-LT多孔介电层的柔性电容式压力传感器，其核心创新在于：1) 利用LT水凝胶实现绿色制备，避免有机溶剂使用；2) 通过LT含量调控获得最优孔隙结构（25 wt% LT时孔隙率达76%）；3) LT纳米片同时提升介电常数（ε=2.8 at 100 Hz）和压缩性能；4) 传感器在0-25 kPa宽范围内保持线性响应，并能准确识别脉搏、关节弯曲等生理信号。

这项研究的科学价值体现在三方面：首先，提出"一材双效"策略，使LT同时作为结构模板和功能填料；其次，突破传统模板法对介电性能的局限，通过离子极化和界面极化协同提升灵敏度；最后，简化的工艺流程（仅需混合-固化两步）使其具备工业化应用前景。正如作者Yubo Ding等指出，该方法为柔性电子器件的环境友好型制造提供了新范式，未来可通过集成无线传输模块进一步拓展其在远程医疗监测中的应用。