研究背景

流體輸運(yùn)管道網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是居民生活和工業(yè)生產(chǎn)的重要保障。然而，因長期使用、腐蝕、自然災(zāi)害或人為破壞引發(fā)的管道泄漏，往往導(dǎo)致巨大的資源浪費(fèi)、公共安全隱患和生態(tài)破壞。當(dāng)前的泄漏檢測技術(shù)主要依賴聲學(xué)檢測、光纖檢測、紅外檢測和雷達(dá)檢測等技術(shù)手段，但這些方法成本高、監(jiān)測范圍有限、對微小液體泄漏不敏感，且難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。因此，亟需開發(fā)一種高效、低成本、覆蓋范圍廣且具備實(shí)時(shí)監(jiān)控能力的新型檢測技術(shù)，以增強(qiáng)應(yīng)對突發(fā)管道泄露事件的能力。聚合物基柔性應(yīng)變傳感器能夠?qū)崟r(shí)將外力變化轉(zhuǎn)化為電信號，具有高靈敏度和柔韌性的優(yōu)勢，在液體泄漏檢測方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，如何將這種傳感器用于管道的實(shí)時(shí)無線泄漏檢測，同時(shí)實(shí)現(xiàn)靈敏度、耐久性和批量生產(chǎn)之間的最佳平衡，仍是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

本文亮點(diǎn)

1. 提出了利用微擠壓成型和表面改性技術(shù)大規(guī)模制造超疏水熱塑性聚氨酯傳感器(TCGS)的方法。

2. 受蝎子的啟發(fā)，TCGS 采用了阿基米德螺旋裂紋陣列和微孔，在 2% 應(yīng)變時(shí)靈敏度達(dá)到 218.13，提高了 4300%，耐用性超過 5000 次。

3.TCGS 強(qiáng)大的超疏水性提高了檢測小規(guī)模液體泄漏的靈敏度和穩(wěn)定性，可對各種規(guī)模和成分進(jìn)行精確監(jiān)測，同時(shí)在各種情況下提供預(yù)警。

內(nèi)容簡介

管網(wǎng)液體泄漏不僅造成大量資源浪費(fèi)，還導(dǎo)致環(huán)境污染和生態(tài)失衡。針對這一全球性問題，華中科技大學(xué)瞿金平院士/吳婷副教授聯(lián)合香港城市大學(xué)胡金蓮院士開發(fā)了一種由生物啟發(fā)的超疏水熱塑性聚氨酯/碳納米管/石墨烯納米片柔性應(yīng)變傳感器(TCGS)，采用微擠壓成型和表面改性相結(jié)合的方法，用于實(shí)時(shí)無線檢測液體泄漏。受蝎子感知能力的啟發(fā)，TCGS利用阿基米德螺旋裂紋陣列和微孔的協(xié)同效應(yīng)，在應(yīng)變?yōu)?%時(shí)其靈敏度達(dá)到218.13。此外，它還實(shí)現(xiàn)了超過5000次的使用周期，表現(xiàn)出超強(qiáng)的耐用性。

圖文導(dǎo)讀

ITCGS 的設(shè)計(jì)和制造

蝎子通過關(guān)節(jié)之間的彎曲裂縫感應(yīng)器感知周圍的振動(dòng)，裂縫感應(yīng)器表面大約有十二條彎曲的裂縫，下面有許多細(xì)胞。受蝎子這種能力的啟發(fā)，結(jié)合工業(yè)化的μ-ECM和表面改性技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種TCGS。圖1b展示了制備過程中的兩個(gè)主要步驟：(i)通過μ-ECM制備TPU/CNTs(TC) 泡沫；(ii)通過表面改性和組裝制備TCGS。TCGS由三層組成：由GNS和PDMS制成的超疏水導(dǎo)電層、帶有植入電極的微孔-裂縫協(xié)同導(dǎo)電 TC 泡沫和 TPU 薄膜支撐層(圖1c)。

圖1. 受蝎子感知系統(tǒng)啟發(fā)的TCGS的示意圖。a 蝎子擁有超靈敏的裂縫器官，幫助它們感知外部力和振動(dòng)。放大的圖像描述了感知系統(tǒng)，由裂縫陣列、眾多細(xì)胞和神經(jīng)元組成。b 展示了TCGS制備過程的示意圖。c TCGS在實(shí)時(shí)無線檢測液體泄漏中的應(yīng)用。 ? ? IITCGS 的結(jié)構(gòu)和特性 TCGS 的結(jié)構(gòu)分為三個(gè)層次：微孔、阿基米德螺旋裂紋陣列和表面的GNS/PDMS涂層。TC-1 的尺寸為 40 × 40 × 1 mm3，重量輕，密度為0.586 g cm?3，可以很容易地用粉紅色花朵支撐(圖2)。測試結(jié)果表明，ERE 中的體積延伸流實(shí)現(xiàn)了Na?SO?和CNTs在TPU基質(zhì)中的均勻分散，形成了孔徑分布均勻的穩(wěn)定三維互連導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。 圖2. TCGS的微觀形態(tài)和特性。a 由一朵粉色花朵支撐的方形TC-1。b TC-1在去離子水中浸泡12小時(shí)前后的對比。c FTIR光譜。d TC-0、TC-0.5、TC-1、TC-1.5和CNTs的XRD圖譜。e 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。f TC泡沫的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。g TC泡沫的孔徑分布。h TC-1的橫截面SEM圖像。i h的放大視圖，j, k TCGS-7的表面SEM圖像。l TCGS-7的橫截面SEM圖像和m元素分布。n 激光掃描共聚焦顯微鏡圖像。o GNS、TC-1和TCGS-7的XPS全譜。p TCGS-7的C 1s XPS光譜。 ? ? III應(yīng)變傳感性能 對不同裂紋寬度的TCGS進(jìn)行測試，寬度為50 μm的傳感器在0至2%應(yīng)變范圍內(nèi)靈敏度最高，為218.13，明顯高于其他寬度的傳感器(圖3)。窄裂紋的開合范圍有限，導(dǎo)致導(dǎo)電路徑的微小變化，降低了靈敏度；而過寬的裂紋則減少了導(dǎo)電路徑的變化，削弱了機(jī)械強(qiáng)度，影響了穩(wěn)定性。在裂紋深度方面，當(dāng)TCGS-7的裂紋深度從65 μm增加到155 μm時(shí)，靈敏度先增加后降低。深度為130 μm的傳感器在 2% 應(yīng)變時(shí)靈敏度最高，超過深度為155 μm和65 μm的傳感器的靈敏度，分別為200.24和98.79。雖然較深的裂縫會(huì)提高靈敏度，但過深的裂縫可能會(huì)降低穩(wěn)定性。

圖3. TCGS的工作機(jī)制和性能。a 在0到2%應(yīng)變范圍內(nèi)的電阻變化。b 在0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%和1%應(yīng)變下的ΔR/R0-應(yīng)變曲線。c 在0.3%應(yīng)變下，不同施加頻率的ΔR/R0-應(yīng)變曲線。d 在0.2%應(yīng)變下的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。e 在0.3%應(yīng)變下超過5000周期的長期穩(wěn)定性。f FEA模擬，模型中N的值為0、3、5和7。g 對于N=7的模型，在不同壓力下的位移變化。h 在不同應(yīng)變下，微孔-裂縫協(xié)同結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力分布和電流密度模分布。i 與最近文獻(xiàn)報(bào)道的柔性應(yīng)變傳感器相比，我們傳感器的靈敏度。

IV潤濕性和液滴檢測性能

超疏水表面具有超強(qiáng)的疏水性，對于提高液體泄漏檢測傳感器的靈敏度和耐用性至關(guān)重要。這種疏水性是通過高表面粗糙度和低表面能的協(xié)同組合實(shí)現(xiàn)的在這項(xiàng)工作中，采用了一種具有成本效益且可擴(kuò)展的方法來開發(fā)傳感器的超疏水表面。首先，通過超聲波將GNS和PDMS均勻地分散在EA溶液中。通過精確控制噴涂速度，實(shí)現(xiàn)了噴涂速度和溶劑蒸發(fā)速度之間的平衡，從而在傳感器表面形成了均勻的微納米結(jié)構(gòu)GNS/PDMS 涂層。加熱后，PDMS固化，TPU基質(zhì)軟化，將GNS牢固嵌入復(fù)合基質(zhì)中，從而確保了微納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖4. 對包括靜態(tài)潤濕性、動(dòng)態(tài)潤濕性和各種液滴的電氣響應(yīng)信號在內(nèi)的傳感器特性分析。a 對CA、RA和靜態(tài)潤濕性的分析。b 選定的快照顯示了液滴以0.77和0.99 m/s的速度撞擊TCGS-7表面，包括動(dòng)態(tài)潤濕性分析。c 對從30 cm高度掉落的不同大小的水滴的電氣響應(yīng)，包括線性分析。d 對從不同高度掉落的70 μL水滴的電氣響應(yīng)，進(jìn)行線性分析。e 對各種組成的水滴的響應(yīng)：自來水、酸性(pH=4)、堿性(pH=10)、5%鹽水溶液和5%泥漿溶液。f 分析了不同pH水平、鹽濃度和泥漿含量的溶液中液滴的CA、RA和電氣響應(yīng)。g 對水滴的電氣響應(yīng)信號進(jìn)行長期檢測。

VTCGS 在液體泄漏檢測中的應(yīng)用

在城市的地下，復(fù)雜的管道網(wǎng)絡(luò)是城市運(yùn)行的生命線，輸送著水和其他重要液體。然而，頻繁的泄漏不僅會(huì)浪費(fèi)資源，還會(huì)帶來環(huán)境和公共安全風(fēng)險(xiǎn)。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，使用TCGS進(jìn)行泄漏檢測提供了一種有效的解決方案。具體來說，TCGS的電極與微控制器相連，微控制器捕捉液體泄漏引起的電阻信號變化，并通過藍(lán)牙或WiFi將這些信號無線傳輸?shù)?a target="_blank">智能手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。此外，泄漏檢測裝置還能通過不同顏色的警告直觀地顯示泄漏的嚴(yán)重程度，從綠色表示無泄漏到紅色表示嚴(yán)重泄漏，從而使管道管理人員能夠快速識別和解決這些問題。在城市管道系統(tǒng)中廣泛部署這些泄漏檢測裝置，可確保及時(shí)檢測和定位泄漏。

圖5. 基于TCGS的泄漏檢測設(shè)備的應(yīng)用。a 城市下管道分布和泄漏的概覽(左)，不同管道泄漏的放大視圖(中)，以及基于TCGS的泄漏檢測設(shè)備的組件(右)。b 液體泄漏檢測過程：從正常狀態(tài)，到水滴泄漏，小水流泄漏，大水流泄漏，最后恢復(fù)。c 泄漏檢測的硬件設(shè)計(jì)。d 軟件設(shè)計(jì)。e 正常狀態(tài)、水滴泄漏、小水流泄漏、大水流泄漏的響應(yīng)信號。f 對各種液體的泄漏檢測：酸性(pH=5)、堿性(pH=10)、鹽水(5%濃度)和泥漿(5%濃度)。

VI總結(jié)

綜上所述，成功開發(fā)了一種 TCGS 泄漏檢測裝置，該裝置具有超高的靈敏度和穩(wěn)定性，能夠靈敏、高精度地檢測液體泄漏并發(fā)出警告。受蝎子傳感機(jī)制的啟發(fā)，TCGS利用了微孔和阿基米德螺旋裂紋的協(xié)同效應(yīng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)制造方法結(jié)合了μ-ECM和表面改性，具有成本效益高、簡單易用和可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)；(2)阿基米德螺旋裂紋陣列將傳感器的靈敏度提高了 4300%，在應(yīng)變僅為2%的情況下靈敏度達(dá)到218.13 ；(3)微孔和裂紋的協(xié)同結(jié)構(gòu)大大降低了應(yīng)力集中，極大地提高了傳感器的穩(wěn)定性，確保了超過 5000 次的使用壽命；(4)TCGS的堅(jiān)固超疏水性有效防止了液體附著，即使在潮濕環(huán)境中也能保持高靈敏度和穩(wěn)定性；(5)它能夠定量檢測各種大小和速度的小體積液體，線性響應(yīng)超過0.98；(6)該設(shè)備支持實(shí)時(shí)無線檢測各種液體的泄漏，包括水、酸、堿、鹽溶液和泥漿?；?TCGS 的設(shè)備涵蓋了從液滴到大流量泄漏的各種泄漏情況，并能及時(shí)發(fā)出警報(bào)。因此，該檢測裝置因其卓越的環(huán)境適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，在防止全球液體泄漏和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展方面具有實(shí)用價(jià)值。

審核編輯 黃宇