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吉林大学孙俊奇教授课题组在基于聚合物水凝胶的自修复、抗疲劳、防冻和高灵敏离子皮肤传感器方面取得新进展
2020-02-13  来源:高分子科技

  由于离子皮肤能够模仿人体皮肤感应多种外界刺激而在人工智能、柔性机器和可穿戴器件等领域有着广泛的应用前景。虽然离子皮肤相关的研究工作在近几年得到了快速发展,但已经报道的离子皮肤的感应性能与人体皮肤仍有巨大的差距。人体皮肤具有自修复及抗疲劳性,能够对更宽范围的压力及拉伸具有灵敏的感知能力,且这种感知能力能在低温下实现。在以往的研究工作中,为了获得高灵敏度的离子皮肤,其制备主要基于柔性的、低模量的易拉伸材料聚合物材料。但是这些离子皮肤往往检测范围窄,低温环境中会变脆,而且容易遭受疲劳和机械损伤。针对这些问题,吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室的孙俊奇教授课题组报道了一种集高机械强度、高回弹性、优异的自修复性、良好抗冻性、高灵敏度及宽检测范围于一体的水凝胶离子皮肤传感器。

  他们将铁离子配位的聚丙烯酸和聚丙烯酰胺在水溶液中进行复合,并收集所得到的聚合物复合物沉淀,压制成水凝胶材料,最后将水凝胶浸泡于NaCl水溶液中,制备了PAAm/PAA-Fe3+/NaCl水凝胶离子皮肤。NaCl的引入在赋予水凝胶高的离子导电率(~0.72 S/m)的同时,还可以诱导聚合物链段收缩形成疏水相区,大大提高了水凝胶的力学强度和弹性。该水凝胶的断裂强度和杨氏模量分别为~1.18 MPa和~0.33 MPa。断裂的水凝胶在室温下(相对湿度为80%-100%)可实现修复,修复效率达90%。同时,该水凝胶还展现出了优异的回弹性和抗疲劳性能。当水凝胶被拉伸到原长的3倍时,撤去外力后在室温下放置4 min即可恢复至初始状态。

图1. PAAm/PAA–Fe3+/NaCl离子皮肤的制备过程和结构示意图。

图2. PAAm/PAA–Fe3+/NaCl离子皮肤的自修复性能(a)、弹性性能(b)和抗疲劳性能(c,d)。

  正是由于PAAm/PAA–Fe3+/NaCl水凝优异的力学性能,基于它制备的离子皮肤可以同时拥有高的灵敏度及宽的应变(0.2-500%)和压力(0.1-10 kPa)检测范围。该离子皮肤可实现对人体运动和健康(手指弯折、脉搏等)的监测。更重要的是,PAAm/PAA–Fe3+/NaCl离子皮肤优异的自修复性能使其可以在温和的条件下修复产生疲劳的离子皮肤和受机械损伤而断裂的离子皮肤,并恢复其原有的传感性能。

图3. PAAm/PAA–Fe3+/NaCl离子皮肤的拉伸(a,b,c)和压力(d,e,f)传感性能。PAAm/PAA–Fe3+/NaCl离子皮肤作为可穿戴传感器对手指弯折(g)和脉搏(h)的监测。

  PAAm/PAA–Fe3+/NaCl水凝胶中所负载的NaCl可以有效降低水凝胶中水的凝固点至-25℃,使得离子皮肤具有良好的抗冻性能。离子皮肤在-14℃的测试条件下具有良好的柔性和弹性,展现出了稳定可靠的拉伸和压力传感性能。离子皮肤的抗冻性能使它在寒冷的环境下仍然具有可靠的传感性能,拓展了其应用范围。

图4. PAAm/PAA–Fe3+/NaCl离子皮肤的抗冻性质。(a,b,c)离子皮肤在-14°C下的柔性及弹性展示。离子皮肤的DSC曲线(d)及离子皮肤在-14°C环境下的拉伸(e)和压力(f)传感性能。

  PAAm/PAA-Fe3+/NaCl离子皮肤是目前报道的少数能同时具有优异的自修复性能、良好的抗冻性和高灵敏度及宽检测范围的离子皮肤。该研究工作为制备具有良好传感性能和长工作寿命的离子皮肤传感器提供了一种有效的方法。

  以上相关成果发表在Journal of Materials Chemistry A(DOI: 10.1039/c9ta13213a)。论文的第一作者为吉林大学博士生李思衡,通讯作者为吉林大学孙俊奇教授

  论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/c9ta13213a/unauth#!divAbstract

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