天津大學李俊杰教授團隊 CEJ：各向異性導電水凝膠用于人體運動監測和無線傳感

2023-03-05 來源：高分子科技

大多數制備的水凝膠由具有各向同性結構的均勻分布的聚合物鏈組成，而各向異性結構在自然界中更為常見。與傳統的各向同性水凝膠相比，各向異性水凝膠可通過機械拉伸結合配位交聯制備，基于其各向異性結構表現出各向異性的機械和導電性能，沿平行于拉伸方向表現出增強的應變傳感性能。同時，水凝膠傳感器還可以實現無線傳感。

近日，天津大學化工學院李俊杰教授和姚芳蓮教授報道了含MXene的各向異性水凝膠應變傳感器。作者選擇聚丙烯酰胺（PAAm）和海藻酸鈉（SA）作為雙網絡（DN）系統的組成部分，并將MXene納米片用作納米填料以增強水凝膠的機械性能和導電性。通過將PAAm-SA-MXene(PSM)水凝膠預拉伸到一定長度，然后SA與鋯離子(Zr⁴⁺)之間進行配位交聯，獲得了各向異性導電水凝膠(PSMZ)（圖1）。各向異性水凝膠表現出增強的機械和導電性能。該研究通過改變水凝膠的結構來增強水凝膠的應變傳感性能，為探索用于柔性電子應用的導電水凝膠開辟了一條新途徑。

圖1 各向異性PSMZ水凝膠的制備示意圖

PSMZ水凝膠截面的SEM圖，小角X射線散射（SAXS）中明顯的橢圓散射圖案及計算得到的取向度均證實了PSMZ水凝膠中具有明顯的各向異性結構。水凝膠平行于拉伸方向的應力為2.68 MPa，斷裂應變達到570%。沿平行拉伸方向（PSMZ_‖）的應力是沿垂直拉伸方向（PSMZ_?）的2.18倍，是各向同性水凝膠的1.46倍。PSMZ_‖水凝膠的彈性模量和韌性高于PSMZ_?水凝膠和各向同性水凝膠。PSMZ_‖水凝膠的電導率為0.096 S/m，是PSMZ_?水凝膠（0.058 S/m）的1.66倍，是各向同性水凝膠（0.072 S/m）的1.33倍（圖2）。

圖2 各向異性PSMZ水凝膠的結構及力學、導電性能

在加載-卸載循環中，拉伸應變可以轉化為穩定的電信號。此外，在相同的拉伸應變下，水凝膠沿不同拉伸方向的相對電阻變化（ΔR/R₀）存在顯著差異。PSMZ_‖水凝膠在不同應變下的ΔR/R₀大于PSMZ_?水凝膠和各向同性水凝膠。在20%應變下600次循環的ΔR/R₀表現出良好的重復性。PSMZ_‖水凝膠顯示出卓越的綜合性能，具有2.68 MPa的高應力、570%的高應變、1.83 MPa的彈性模量、7.99 MJ/m³的韌性和高靈敏度2.83 (0-120%)、5.52 (120-300%)和7.44 (300-510%)（圖3）。

圖3 各向異性PSMZ水凝膠的的應變傳感性能

各向異性PSMZ水凝膠具有出色的傳感性能，應變傳感器可以貼合在人體不同部位上，如手腕、膝蓋、面部等。重復動作時，傳感器能夠傳遞出穩定可重復的電信號，并且可以監測面部表情的變化，應變傳感器還可以通過設備進行無線監測（圖4）。含MXene的各向異性水凝膠傳感器在柔性可穿戴設備中具有廣闊的應用前景。

圖4 基于各向異性PSMZ水凝膠的應變傳感器的實際應用

該研究成果于2月24日在線發表于國際知名期刊Chemical Engineering Journal（DOI: 10.1016/j.cej.2023.142099）上。文章的第一作者為天津大學化工學院博士生郭丙炎，通訊作者為天津大學化工學院李俊杰教授和姚芳蓮教授。該工作得到2030科技創新重點項目(2021ZD0201600)和國家自然科學基金(31971250、U20A20261)、海河實驗室的資金支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142099

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（責任編輯：xu）

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