51、医疗设备中的先进材料：石墨烯压力传感器与磺化五嵌段共聚物膜

最新推荐文章于 2025-09-23 12:36:50 发布

silver

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医疗设备中的先进材料：石墨烯压力传感器与磺化五嵌段共聚物膜

1. 石墨烯压力传感器在医疗设备中的应用

石墨烯凭借其独特的性能，如高强度、柔韧性、透明度和生物相容性，成为医疗设备压力传感器制造的理想材料。在生物医学领域，它可用于测量血压、感知呼吸流量和触觉感应等。例如，手腕脉搏运动、手指弯曲、膝盖弯曲等人体动态运动，以及呼吸流量的感知，都可以通过石墨烯压力传感器来实现。

采用压阻传感技术，将石墨烯作为传感材料应用于惠斯通电桥配置中，能将物理量转化为电信号。当施加压力时，传感元件的电阻会发生变化，通过电桥配置将其转换为输出电压。

以下是石墨烯压力传感器建模和有限元分析的步骤：
1. 选择合适的材料和参数 ：使用COMSOL Multiphysics模拟石墨烯压力传感器模型。设备尺寸为4mm×4mm，以硅为基底材料，采用金和锡的组合制作测量输出电压的接触点。不同材料的属性值如下表所示：
| 材料 | 属性 | 值 | 单位 |
| — | — | — | — |
| 石墨烯（压阻器） | 杨氏模量 | 1.0 | T Pa |
| | 泊松比 | 0.17 | 无单位 |
| | 电导率 | 10² | S/m |
| | 热导率 | 5000 | Wm⁻¹ K⁻¹ |
| | 密度 | 2000 | kg m⁻³ |
| | 相对介电常数 | 2.14 | 无单位 |
| 硅（基底材料） | 杨氏模量 | 170×10⁹ | Pa |
| | 泊松比 | 0.28 | 无单位 |
| | 定压热容 | 700 | J Kg⁻¹.K⁻¹ |
| | 热导率 | 130 | Wm⁻¹ K⁻¹ |
| | 密度 | 2329 | kg m⁻³ |
| | 热膨胀系数 | 2.6×10⁻⁶ | K⁻¹ |
| 金/锡（接触垫） | 相对介电常数 | 1 | 无单位 |
| | 电导率（σ） | 4.5×10⁶ | S/m |
2. 确定压阻器的放置位置 ：压力传感器的主要功能部分是隔膜，其尺寸对确定正确的应力产生区域起着重要作用。将两个压阻器放置在固定隔膜的边缘，另外两个放置在靠近中心应力较小的区域，以覆盖拉伸和压缩应力区域。
3. 计算输出电压 ：压阻器连接成惠斯通电桥配置，输出电压的表达式为：
[V_{out} = \left(\frac{R_2}{R_1 + R_2} - \frac{R_4}{R_3 + R_4}\right)V_{in}]
其中，(R_1)、(R_2)、(R_3)、(R_4) 是压阻器的电阻，(V_{in}) 是输入电压。

在施加0 - 100 psi的压力时，可以得到产生的应力变化。通过模拟还可以计算出系统的特征频率（固有频率），使用石墨烯作为传感材料可以增加系统的固有频率，进而增加系统的变形，提高压力传感器的灵敏度。

2. 磺化五嵌段共聚物（sPBC）膜在质子交换膜燃料电池中的应用

燃料电池是一种将化学能转化为电能的电化学装置，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高功率密度、低温启动、便携性和清洁性而备受关注。目前，Nafion（全氟磺酸）被广泛用作PEMFC的膜材料，但由于其成本高、高温性能低以及在直接甲醇燃料电池（DMFC）中存在甲醇交叉问题，人们开始探索其他替代材料。

磺化五嵌段共聚物（sPBC，Nexar™）具有良好的机械强度和柔韧性，由叔丁基苯乙烯（tBS）端块和乙烯 - 丙烯（EP）块组成，其中间苯乙烯块可以磺化以获得所需的离子交换容量（IEC）。在本研究中，使用Nexar™ MD9200级来开发质子交换膜燃料电池的膜。

以下是制备和表征Nexar™膜的步骤：
1. 实验材料准备 ：从Kraton Polymer LLC获得Nexar™ MD9200溶液，使用Alfa Aesar提供的0.180 mm厚的Nafion 117膜，以及CDH提供的四氢呋喃（THF）。
2. 膜的制备 ：在室温下，将Nexar™溶液用固定量的THF稀释并持续搅拌，两小时后得到均匀溶液。将该溶液在室温下浇铸在培养皿中，缓慢蒸发以避免膜出现裂缝。
3. 膜的表征
- XRD分析 ：XRD用于检查膜的结晶度、对称性和规则性。Nexar™膜样品的XRD图显示出较高的噪声信号比，表明该膜样品为非晶态。
- FTIR光谱分析 ：FTIR光谱显示，3414 cm⁻¹处的波段表示O - H拉伸，~1411和~1223 cm⁻¹处的波段是由于S = O拉伸振动，证实了Nexar聚合物中苯乙烯磺酸盐单元的存在，1600和1465 cm⁻¹附近的尖锐波段可归因于Nexar五嵌段共聚物的C = C拉伸振动。
- TGA分析 ：TGA曲线显示，Nexar膜在350 °C时的重量损失约为22%，代表水分的存在；在400 °C左右，重量从22%急剧下降到85%，可能是由于磺酸基团的热降解；在480 °C之后，曲线几乎呈水平状，表明膜完全形成氧化物形式。
4. 膜的性能测试
- 水吸收和溶胀率 ：水吸收是膜保水能力的指标，有助于离子在膜中的传输。Nexar的水吸收率为125%，高于Nafion的15.5%，这是由于Nexar中磺酸基团数量较多和IEC值较高。Nexar的溶胀率为26.6%，Nafion为10.0%，Nexar的溶胀率相对水吸收率没有那么高，这是因为Nexar中存在疏水块。
- 离子交换容量（IEC） ：IEC表示每克干膜中SO₃⁻的摩尔数，Nexar的IEC值为2.01 meq/gm，而Nafion为0.91 meq/gm，Nexar的IEC值约为Nafion的两倍。
- 离子电导率 ：使用Autolab电位计PGSTAT30测量离子电导率，采用四探针离子电导率测量系统。在1 - 100 kHz范围内进行FRA分析，离子电导率的计算公式为：
[σ (S/cm) = \frac{l}{R × A}]
其中，(l)是电极之间的距离（cm），(A)是膜的横截面积（cm²），(R)是从交流阻抗数据得到的膜电阻值（Ω）。

通过实验发现，Nexar在不同温度下的质子电导率高于Nafion，并且其活化能低于Nafion。利用活化能还可以预测质子的传输模型。

综上所述，石墨烯压力传感器在医疗设备中具有良好的应用前景，而磺化五嵌段共聚物膜作为PEMFC膜材料的替代方案，展现出了比Nafion更优越的性能。这些研究为相关领域的发展提供了新的思路和方向。

医疗设备中的先进材料：石墨烯压力传感器与磺化五嵌段共聚物膜

3. 石墨烯压力传感器的性能分析

通过对石墨烯压力传感器的模拟和实验，得到了一系列性能数据。以下是对这些性能的详细分析：
- 灵敏度 ：绘制输出电压与施加压力的关系图，发现石墨烯压力传感器的灵敏度为3.89 mV/psi，且随着施加压力的增加，输出电压值也随之增加。这表明该传感器能够有效地将压力变化转化为电压变化，具有较高的灵敏度，能够满足医疗设备中对压力精确测量的需求。
- 线性度 ：绘制非线性度与施加压力的关系图，发现在40 - 90 psi的范围内，传感器呈现出线性变化。这一特性使得传感器在该压力范围内能够提供准确、稳定的测量结果，对于需要精确压力测量的医疗应用，如血压监测等，具有重要意义。
- 温度兼容性 ：研究表明，设计的压力传感器在较高温度下也能保持线性变化，显示出良好的温度兼容性。这意味着该传感器在不同的环境温度下都能稳定工作，不会因温度变化而导致测量结果的偏差，提高了其在实际医疗应用中的可靠性。

为了更直观地展示这些性能，我们可以用表格进行总结：
| 性能指标 | 数值 | 说明 |
| — | — | — |
| 灵敏度 | 3.89 mV/psi | 压力变化与输出电压变化的比例 |
| 线性范围 | 40 - 90 psi | 传感器输出与压力呈线性关系的压力区间 |
| 温度兼容性 | 较高温度下保持线性 | 适应不同环境温度，测量结果稳定 |

mermaid格式流程图展示石墨烯压力传感器性能分析流程：

graph LR
    A[模拟与实验] --> B[绘制输出电压 - 压力图]
    B --> C[计算灵敏度]
    A --> D[绘制非线性度 - 压力图]
    D --> E[确定线性范围]
    A --> F[研究温度影响]
    F --> G[评估温度兼容性]
    C --> H[性能总结]
    E --> H
    G --> H

4. 磺化五嵌段共聚物（sPBC）膜与Nafion的性能对比

将磺化五嵌段共聚物（Nexar™）膜与广泛使用的Nafion膜进行性能对比，有助于更清晰地了解Nexar™膜作为替代材料的优势。以下是各项性能的对比分析：
| 性能指标 | Nexar™膜 | Nafion膜 | 对比结果 |
| — | — | — | — |
| 水吸收率 | 125% | 15.5% | Nexar™膜具有更高的水吸收率，有利于离子传输 |
| 溶胀率 | 26.6% | 10.0% | Nexar™膜的溶胀率相对水吸收率没有那么高，得益于其疏水块 |
| 离子交换容量（IEC） | 2.01 meq/gm | 0.91 meq/gm | Nexar™膜的IEC值约为Nafion膜的两倍，表明其离子交换能力更强 |
| 质子电导率 | 不同温度下均高于Nafion | - | Nexar™膜在质子传导方面表现更优 |
| 活化能 | 低于Nafion | - | Nexar™膜具有更低的活化能，意味着质子传输更容易 |

从上述对比可以看出，Nexar™膜在多个关键性能指标上都优于Nafion膜。其较高的水吸收率和离子交换容量有助于提高质子传导效率，而较低的活化能则进一步降低了质子传输的能量障碍。此外，适中的溶胀率保证了膜在吸水过程中的结构稳定性。

mermaid格式流程图展示Nexar™膜与Nafion膜性能对比流程：

graph LR
    A[制备Nexar™膜和Nafion膜] --> B[进行各项性能测试]
    B --> C[记录Nexar™膜性能数据]
    B --> D[记录Nafion膜性能数据]
    C --> E[对比水吸收率]
    C --> F[对比溶胀率]
    C --> G[对比离子交换容量]
    C --> H[对比质子电导率]
    C --> I[对比活化能]
    D --> E
    D --> F
    D --> G
    D --> H
    D --> I
    E --> J[总结对比结果]
    F --> J
    G --> J
    H --> J
    I --> J