天然橘子皮活化聚苯胺柔性棉织物的增强型电阻式压力传感

《Sensors and Actuators A: Physical》：Natural Orange Peel-Activated Polyaniline on Flexible Cotton Textile for Enhanced Resistive Pressure Sensing

　　

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  将橙皮粉掺入聚苯胺中，增强电子功能。
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  基于柔性、可生物降解棉质纺织品基底的电阻式压力传感器。
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  在不同真空压力条件下具有增强的灵敏度和快速响应。
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  一种新颖的低成本、环保且可持续的压力传感器件。

引言

现代传感器技术的进步已将研究重点转向开发柔性、低成本且环境可持续的器件 [1], [2], [3]。传统传感器往往存在制造成本高、不可生物降解以及柔韧性有限等缺陷，因此不适合集成到可穿戴或环保平台中 [4], [5], [6]。将有机材料和天然来源材料探索作为功能传感组分的策略，已成为解决上述局限性的一条前景广阔的替代路径 [7], [8], [9], [10]。近期的研究尤其强调将导电聚合物与可生物降解基底相结合，以实现灵敏度、耐久性和环境兼容性之间的平衡 [11], [12], [13], [14]。

在众多导电聚合物中，聚苯胺（PANI）凭借其可调导电性、合成简便性、环境稳定性以及能够在多种基底上形成均匀涂层的能力而获得了广泛的认可 [15], [16], [17]。基于聚苯胺的复合材料已被广泛应用于电化学和电阻式传感器中，用于检测气体、生物分子和环境变化 [18], [19], [20], [21]。然而，单独使用聚苯胺可能不足以开发具有增强功能、孔隙率、可生物降解性和灵敏度的器件 [22], [23], [24]。因此，掺入天然填料或生物衍生粉末可以显著提高传感平台的有效表面积、活性位点和结构稳定性，从而使传感器在实际条件下实现高性能运行 [25], [26], [27], [28]。

橙皮粉（OPP）是一种农业废弃物材料，是不同科学研究应用中可持续且环保的候选材料 [29], [30]。橙皮粉富含纤维素、半纤维素、木质素和果胶，具有高孔隙率和天然的粗糙质地，可为聚合物沉积提供优异的支架 [31], [32]。其可生物降解特性和丰富来源进一步增强了其在绿色电子领域应用中的适用性 [33], [34]。当橙皮粉与聚苯胺结合时，不仅能够增强相互作用表面积，还能提高机械柔韧性和电子功能，并通过天然生物降解过程提供更好的处置途径 [35], [36]。

棉质纺织品基底具有柔性、透气性和可生物降解性，在可穿戴或柔性器件的制造中具有额外的优势 [37], [38]。纺织品相对于刚性基底的顺应不规则形状和承受反复机械应力的特性，为柔性和可穿戴器件的应用增添了额外优势 [39], [40]。通过简单的沉积路线将橙皮粉和聚苯胺集成到棉质纺织品上，可创建一个多功能平台，能够灵敏地响应真空压力等外部刺激。真空压力传感是科学研究、工业监测和环境控制等领域的重要方向，对这些领域中可靠且便携的传感器需求日益增长 [41], [42]。传统真空表和传感器往往价格昂贵、体积庞大，且不适合一次性使用或可生物降解应用 [43], [44]。因此，开发聚苯胺/橙皮粉涂覆棉质纺织品的传感器，代表了将环保材料与可靠的真空压力检测传感性能相结合的前进了一步。

在本研究中，我们报道了一种基于柔性棉质纺织品上沉积的聚苯胺/橙皮粉复合物的柔性、可生物降解真空压力传感器的制备与表征。通过结构、形貌、光学和电学表征来评估材料体系，在不同压力条件下的电阻测量展示了出色的压力灵敏度和可重复性。研究结果还表明，材料的反复结合和折叠不会显著影响其性能。因此，本工作的成果突出了一种简单且可持续的策略，用于创建下一代可生物降解传感器，有望应用于可穿戴器件，作为绿色电子倡议的一部分。

章节摘要

材料

聚苯胺和橙皮粉基复合传感器采用分析纯化学品进行制备。氯化铁六水合物（FeCl₃·6H₂O，默克）作为苯胺聚合的氧化剂。苯胺单体（默克，德国）用作导电聚合物前驱体。乙醇（99.9%，默克，德国）在制备过程中作为溶剂，去离子（DI）水用于反复清洗。纺织品基底为市售白色

结构性质

已对棉质纺织品、橙皮粉以及在棉质纺织品上制备的薄膜的X射线衍射图谱进行了研究，结果如图2所示。在棉质纺织品上制备的薄膜通常呈现结晶特性，这对于聚合物体系中的电荷传输而言是乐观的。在图谱（a）中，观察到一个尖锐的强峰以及几个其他弱峰，这是由于棉质纺织品的衍射所致。在2θ= 22.66°处的尖锐峰是由于Miller晶面（200）的衍射而产生

结论

总之，我们成功地制备了橙皮粉并进一步开发了聚苯胺/橙皮粉@棉质纺织品（PANI/OPP@CT）复合压力传感器。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、紫外-可见光谱和I-V测量对制备的材料进行了表征，以评估其结构、形貌、光学和电学性质。所制备的材料体系表现出高电流响应，最大电阻灵敏度约为20.50×10^?3 Torr^?1，响应时间（9.06?s）和恢复时间（10.62?s）相对较快。

CRediT作者贡献声明

Dipankar Das：撰写——初稿、调查、概念化。Sampa Das：方法学、形式化分析。Jayanta Das：验证、数据整理。Biswajit Saha：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢印度政府科学技术部（DST）通过FIST项目（SR/FST/PSI-196/2014）提供紫外-可见-近红外测量设备。作者还感谢印度理工学院科拉普尔分校提供X射线衍射测量设备。

利益冲突

作者声明，他们不存在利益冲突。

Dipankar Das博士是印度阿加尔塔拉Bir Bikram Memorial学院的物理学副教授。他拥有印度理工学院阿加尔塔拉分校的物理学博士学位。他的研究领域包括绿色聚合物化学、基于聚苯胺的复合材料、柔性和可穿戴传感器，以及基于可持续生物材料的传感技术。

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