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中科院纳米能源所李舟研究员课题组在导电水凝胶传感领域取得新进展
2020-01-10  来源:高分子科技

  水凝胶是亲水性高分子分散在水相环境中形成的“保水”材料,通常情况下,其具有优异的生物相容性、力学柔韧性和环境友好等特点。通过多种物理化学方法,可以增强水凝胶的力学性能,如柔韧性和粘弹性能,进而实现水凝胶在可穿戴传感器方面的应用潜力。尽管目前有许多关于凝胶型力学传感器的报道,但是,一系列问题同时存在。如为了增强凝胶的可拉伸性能或者强度,科学家设计合成了各种复杂的高分子材料,通过在高分子链中引入特殊功能的化学基团,以增强水凝胶网络中的氢键,静电引力,金属螯合或者动态共价相互作用。通过分子设计来改善水凝胶性能的方式犹如一把“双刃剑”,一方面凝胶的力学性能显著改善;但是,相伴而来的是制作成本以及合成难度的增加,这使得凝胶的大规模工业化生产难度提升。

  如何以更加经济的方式制作理想性能的工程化水凝胶材料是多学科领域存在的问题。近日中国科学院纳米能源与系统研究所李舟研究员课题组与合作者在工程化水凝胶制备和传感应用领域取得了新的进展。该成果以“内调控代替官能团多样性”的方式,将凝胶性能优化的关键环节从繁琐的化学合成过程转变为凝胶内组分调控,从而大大缩减了制作的成本和工艺。研究人员首先对市面上常见的制作水凝胶的高分子材料(如壳聚糖,海藻酸钠,聚乙烯醇)进行了系统筛选,他们考察了8种水凝胶的力学性能,发现基于聚乙烯醇(PVA)和聚乙二胺(PEI)的水凝胶表现出最佳的力学性能。基于PVA/PEI这一体系,研究人员对水凝胶进行了细致的性能考察和优化。考虑到PVA和PEI显示相反的电荷,他们通过改变PVA和PEI的配比,以实现分子间静电引力的最大化。结果表明,当PVA与PEI的比例从1:2变成2:1时,拉伸应变和应力分别增加了两倍和六倍。

图1. 基于PVA / PEI水凝胶的弹性体的概念图和机械性能测试。a)概念图,分子结构和 水凝胶的光学图像。b)不同PVA与PEI的比例(质量)的水凝胶的应力-应变曲线。c)直方图显示不同凝胶的断裂伸长率(%)(I)拉伸强度(kPa)(II)和杨氏模量(kPa)(III)。d)当弹性体(PVA2PEI1)拉伸到100%,200%,300%和400%时,无间隔的顺序伸展-收缩循环曲线。

  接下来以PVA2PEI1为模型,考察了水含量对凝胶性能的影响。当凝胶内水含量从85%变成75%时,凝胶的拉伸应力变化超过了6倍。最终,得到了最优性能的凝胶的形式为:PVA2PEI1-75。该凝胶的断裂应变高达500%,对应的断裂应力为0.6MPa。

图2. 研究不同含水量的弹性体(PVA / PEI质量比为2:1)的性能。a)水含量为75%,80%和85%的水凝胶的概念图。b)应力-应变曲线和f)不同含水量的水凝胶的光学图像。c)大气环境下水凝胶的水含量随天而变化。d)暴露在空气中不同天数的水凝胶的应力-应变曲线。e)水凝胶(PVA2PEI1-75)的储能模量(G'')和损耗模量(G'''')。

  基于得到的水凝胶,研究人员探索其在压阻性传感器中的应用。研究人员提高了凝胶的导电性能和力学性能。通过测试计算得到凝胶的敏感度因子 (gauge factor) 为9-22,明显高于报道的同类型传感器。随后,他们将制得的传感器用于人体不同部位运动的监测,这些运动包括:手指/手肘/膝盖的伸屈,嘴角的上扬,眨眼运动,发声动作等。所有结果表明,基于PVA-PEI的传感器具有极好的灵敏度和准确度。最后,细胞实验和抗菌实验表明,该凝胶具备良好的生物兼容性以及抗菌性能。

图3. 可拉伸弹性体在压阻传感器中的应用。a)当手指处于不同的弯曲角度时,电阻变化曲线:i)原始状态;ii)弯曲30°;iii)弯曲60°;iv)弯曲90°。b)电阻变化和弯曲角度呈线性关系。c)腕部弯曲时店阻改变:i)弯曲;ii)原始状态;iii)弯下腰。d)弯曲臂时电阻变化:i)原始状态;ii)弯曲状态。e)弯曲腿时电阻发生了变化。f)不同面部表情时阻力变化:i)面无表情,ii)微笑。g)皱眉时电阻发生变化。h)当志愿者说“ ni hao”(你好)时,相对抵抗力发生变化。 右插图显示了i)“ ni”和ii)“ hao”的单个脉冲。

  该研究提出了一种新的对凝胶的性能进行“化繁为简” 优化的方法,并得到了一种基于PVA-PEI的弹性水凝胶。由于该凝胶满足可穿戴柔性电子器件的严格要求,未来,在应变式压力传感器领域具有广泛的应用价值。

  以上成果近期发表于学术期刊Small(影响因子:10.8),论文题目为“Customization of Conductive Elastomer Based on PVA/PEI for Stretchable Sensors”,该论文共同第一作者为北京纳米能源所博士研究生王婵和日本国立量研机构胡宽博士,通讯作者为李舟研究员

  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201904758

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(责任编辑:xu)
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