“金三发·当盛”杯获奖作品-聚丙烯纺粘非织造布的柔性pH传感器设计与应用

pH值是环境监测、临床诊断、工业生产和食品加工等领域中的关键参数。传统的玻璃电极pH计虽然提供可靠的检测，但其脆弱性、缺乏灵活性和难以小型化等问题限制了其广泛应用。随着柔性电子技术的发展，将pH传感器与柔性材料相结合成为研究热点。本作品旨在开发一种以聚丙烯纺粘非织造布（PP SF）为基底的柔性pH传感器，利用聚苯胺（PANI）作为工作电极材料，并采用Ag/AgCl作为参比电极，实现快速、灵敏、稳定且可靠的pH传感。

二、原料与技术

实验原料：

基底材料：聚丙烯纺粘非织造布（PP SF）

涂层材料：油性聚氨酯（OPU）、Ecoflex

电极材料：银/氯化银浆（Ag/AgCl）、导电碳浆、苯胺单体、硫酸（H2SO4）、植酸、甲醇

辅助材料：聚乙烯醇缩丁醛（PVB）、氯化钠（NaCl）、去离子水

工艺路线：

将PP SF剪裁成10×18 mm²的小片。

在PP SF表面均匀涂覆一层OPU，在60°C下干燥4小时，形成OPU/PP SF复合材料。

利用丝网印刷技术，将Ag/AgCl浆料转印至OPU/PP SF表面，作为参比电极。

再次通过丝网印刷，将导电碳浆转印到直径为3.5 mm的圆形区域上，固化后形成工作电极。

在含有苯胺、植酸和H2SO4的混合溶液中进行电化学沉积，制备具有3D多孔网络结构的PANI工作电极。

最后，使用Ecoflex作为封装层，并将NaCl、PVB和甲醇的混合物涂覆在Ag/AgCl参比电极表面作为保护膜，完成PANI@OPU/PP SF柔性pH传感器的制备。

三、性能特点

本作品所制备的PANI@OPU/PP SF柔性pH传感器表现出以下优异特性：

宽广的pH响应范围：在pH 2.00至8.00之间具有良好的线性响应，超能斯特斜率为-67.67 mV/pH，R²=0.99。

出色的机械性能：即使在弯曲状态下也能保持相似的灵敏度（-68.87 mV/pH）和线性度（R²=0.99）。

快速响应时间：仅需8秒即可完成一次测量。

优秀的可逆性和长期稳定性：可逆性误差仅为1.20 mV，长期稳定性达到0.83 mV/h。

实际应用验证：能够有效监测纯液体及不规则曲面液体表面的pH水平，与商用pH计相比，误差幅度不超过0.16。

四、应用领域

该柔性pH传感器适用于多种场合，特别是对于需要实时监测复杂或不规则表面上pH变化的应用场景，如：

医疗健康：用于人体皮肤、口腔等部位的pH监测。

环境监测：检测土壤、水质等自然环境中的pH变化。

食品安全：监控食品加工过程中的pH波动，确保产品质量安全。

工业生产：在线监测化工反应过程中的pH条件，优化工艺流程。

五、作品的创新点

选择PP SF作为基底材料：质地柔软、成本低廉、化学稳定性好且制备方法简单，显著提升了柔性pH传感器的机械强度和使用寿命。

采用电化学沉积技术制备PANI工作电极：形成的3D多孔网络结构增加了与H⁺结合的机会，提高了传感器的灵敏度和导电性，同时保证了制备过程的简易性和环保性。

六、实物展示与大赛成果

本作品参加了第十一届“金三发·当盛”杯全国大学生非织造材料开发与应用双创大赛，获得了评审专家的高度评价。大赛旨在发掘优秀设计开发人才，推动非织造材料领域的创新与发展，取得了丰硕的成果。

关于公布第十一届“金三发﹒当盛”杯全国大学生非织造材料开发与应用双创大赛获奖结果的通知（2023-09-21）

第十一届“金三发﹒当盛”杯全国大学生非织造材料开发与应用双创大赛评审会召开（2023-08-28）

关于举办第十一届“金三发·当盛”杯全国大学生非织造材料开发与应用双创大赛的通知（2023-06-12）

通过此次大赛，我们希望这款基于PP SF的柔性pH传感器能够得到更广泛的应用，为相关领域的研究和实践提供强有力的支持。