粘性胶带-从日用品到柔性可穿戴电子器件

2023-12-29 09:53
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综述背景
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在万物互联时代,柔性可穿戴电子器件在疾病监测、人机交互、智能传感等领域引领诸多革新。粘性压敏胶带是日常生活中的必备用品,种类繁多,兼具柔性和粘性,且廉价易得。目前已有大量的文献综述总结基于纸、纤维、水凝胶等材料的柔性可穿戴电子器件,但是鲜有人将关注点放在粘性压敏胶带这一无处不在的生活用品上。实际上,粘性胶带在柔性可穿戴电子的制备、集成、封装等方面起着关键的作用。


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综述重点
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深圳大学Tailin Xu和Xueji Zhang团队系统地总结了市售压敏胶带衍生的各类柔性可穿戴电子器件。文章从粘性压敏胶带的起源、结构、机理、类型和特性讲起,该文从胶带的柔性和粘性按需制备、封装电子材料和元件进行了分类,基于此,同时还谈及了如何利用物理、化学改性和微纳加工技术赋予普通的胶带基底以特定的功能。这些由胶带衍生的柔性电子产品的应用非常广泛,包括高性能传感器、能量存储/转换设备、医疗和保健贴片等。最后,作者展望了这类基于市售粘性胶带的柔性可穿戴电子的前景,并描述了未来可能的发展方向。


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文章解析
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图1:典型市售压敏胶带的结构和粘附机理。(a)胶带的两种主要成分,即无粘性衬底和粘性压敏胶。无粘性背衬通常由聚合物薄膜、无纺布、纸张、纺织品或金属箔等组成;压敏胶是一种粘弹性聚合物,能在轻微施加压力的作用下快速粘附在基材上。(b)胶带的粘附机理,压敏胶先在基材上铺展渗透,随后产生附着力和内聚力。附着力来自于基材与压敏胶之间的相互作用,内聚力来自于压敏胶分子内部的共价键、氢键和范德华力。

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图2柔性可穿戴电子器件中常用的几种胶带类型,包括(a) Scotch胶带系列,(b) Kapton胶带系列,(c)导电胶带,(d)医用胶带,(e)纹身贴胶带,(f)弹性胶带,(g)可溶性胶带和(h)热释放胶带。图中简要展示了每种胶带的实物图、结构、性能和应用场景。

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图3:粘性胶带用于摩擦生电器件。(a)剥离胶带时产生的机械自由基和带电物种。(b)剥离胶带时同时产生可见光和X射线(左)以及对应的人手指X射线成像图(右)。(c)胶带剥离过程中的产生电磁辐射示意图和剥离点处简化的平板电容器模型。(d)通过分离胶带和氟化乙烯丙烯共聚物薄膜制备的便捷式摩擦电纳米发电机。

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图4:粘性胶带用于机械剥离二维材料。(a)著名的Scotch胶带法,用于从大块石墨中机械剥离单层二维材料,在此过程中,相邻二维材料薄片之间的范德华作用力被胶带产生的微机械解离力克服(左和中)。单层石墨烯的原子力显微图像(右)。(b)利用Scotch胶带法制备的基于单层二维材料的晶体管示意图。(c)机械剥离产生的磷烯纳米片用于检测NO2气体。(d)Scotch胶带法制成的单层二硫化钼用于超灵敏光电探测器。

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图5粘性胶带用于材料转印。(a)使用粘性胶带转印目标材料的原理图,目标材料可用胶带依次从供体承印物取下,并转移到受体承印物上。(b)胶带辅助的单转印技术制备蝴蝶状等离子激元薄膜,用于柔性表面增强拉曼散射传感器。(c)利用双转印刷技术制备胶带基的硫化镉纳米线光电探测器。(d)将激光雕刻的石墨烯转印到透明胶带上作为汗液传感电极阵列。

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图6:以粘性胶带为基底的利用物理加工技术。(a)在医用胶带上通过丝网印刷技术制备酪氨酸酶传感电极阵列。(b)在Kapton胶带上利用喷墨打印技术制备微型石墨烯超级电容器。(c)在铜导电胶带上3D打印超细光纤制备传感元件。(d)在透明胶带上旋转涂二氧化硅纳米线。(e)在导电胶带上磁控管溅射金纳米颗粒生成重金属电化学传感电极。(f)铅笔在医用胶带上划写,留下的导电石墨痕迹可用于制备柔性微型超级电容器。

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图7:胶带辅助的机械力化学激活技术制备和改性功能纳米材料。(a)剥离胶带时在压敏胶上产生的自由基活性种,能够将游离态的金属离子原位还原成固态的金属纳米颗粒。(b)结合机械活化和热退火制备无定形铟镓锌氧化物晶体管薄膜。胶带从无定形铟镓锌氧化物薄膜(机械力化学激活处理)剥离时会在其上产生大量活性自由基,可降低后续热退火所需的温度。

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