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不列颠哥伦比亚大学Feng Jiang教授团队AFM:用于多功能传感器的高强度、可拉伸、耐冷冻离子导电有机水凝胶
2020-07-21  来源:高分子科技

  随着物联网技术高速发展,应用于人机交互材料的需求也不断增加。相对于传统固态刚性的电子导体来说,柔性离子导体由于其高延展性、透明度、可调力学性能和生物相容性等特性受到了广泛关注。作为最有前景的材料之一,离子导电水凝胶在人造组织以及可穿戴电子器件等人工智能方面的应用受到了广泛的关注。目前,传统的导电水凝胶仍旧存在诸多问题,尤其是无法兼顾平衡强度、韧性、以及高离子电导率等性能。一般来说,高强度的水凝胶其离子电导率通常较低,然而离子电导率高的水凝胶其力学强度通常较低。此外,水凝胶的低温离子电导率通常也不理想。因此,如何平衡导电凝胶强度、韧性、离子电导率及抗冻的性能仍然是一个亟需解决的问题。


  针对以上问题,不列颠哥伦比亚大学的Feng Jiang教授团队采用溶胶-凝胶法,在低温环境下制备了TEMPO 氧化纳米纤维素(CNF)溶液与聚乙烯醇(PVA)有机水凝胶。纳米纤维素和聚乙烯醇首先分散溶解在DMSO-水的溶剂体系下,然后通过迅速降温至-20摄氏度促成溶胶-凝胶转化。由于DMSO和水的分子间氢键的作用,PVA可以形成较小的晶体结构,从而对凝胶起到增强的作用。此外,由于DMSO-水具有较低的溶点,可以赋予有机水凝胶抗冻性能。通过在有机水凝胶体系中引入氯化钠溶液,赋予了凝胶良好的离子导电性能。这种新型的凝胶展现出优越的机械性能、高透明性、及其较高的离子电导率和抗冻性。


图 1. a) PVA-CNF 复合凝胶示意图; b) 复合凝胶光学特性(紫外可见光谱); c) 复合凝胶环境稳定性(湿度15%,温度40 ℃)


机械性能和导电性


  PVA作为无毒绿色的高分子为凝胶系统提供了良好的机械性能基础,CNF较强的氢键作用及其本身较高的模量使其在复合凝胶中起到出色的力学增强作用。因此,制备的有机水凝胶具备较高的拉伸强度(2.1MPa),断裂伸长率(660%),以及韧性(5.25 MJ/m3)。一般来说,由于凝胶内部离子迁移受到高分子交联作用的阻挠,高强度的凝胶通常具有较低离子电导率。本文作者采用TEMPO氧化使CNF表面羧基化从而带有良好的负电性,其带电表面能促进离子的移动和增加离子电导率。实验结果表明,有机水凝胶的离子电导率随着CNF的添加量的增加而提高。当CNF的含量为4%时,其离子电导率可以达到3.2 S/m。CNF促进离子电导率的机理可归因于以下因素。其一,CNF的引入可以让凝胶本身形成多等级层次化结构,从而提供更多的表面积用于离子移动。此外, CNF表面丰富的羧基会吸引更多反离子,为离子转移提供更多的跳跃位点。


图 2. 凝胶导电特性的表征。 不同盐离子浓度置换后的复合凝胶EIS 谱图:a) 0.05 M and b) 1 M NaCl 溶液; c) 不同盐离子浓度置换后的复合凝胶离子电导率; d) 与之前报道的离子凝胶对比图;e) 离子凝胶作为导体连入电路点亮LED灯,其亮度在拉伸和压缩下的变化。


抗冻性能


  为了克服传统导电凝胶易失水和低温下结冰的缺点,作者使用DMSO-水的双相溶剂体系作为凝胶液态填充相。DMSO和水的氢键作用会显著降低水的冰点和挥发点,使其凝胶具有良好的保水性和低温下仍具有良好的性能。值得一提的是,DMSO相对于其他用于双相体系的有机溶剂来说介电常数与水更接近,从而不会牺牲有机水凝胶的离子电导率。制备的有机水凝胶可以在超低温下仍旧保持良好的离子电导率。其中在-70摄氏度下的1.1 S/m的离子电导率要明显优于已知的其他低温有机水凝胶体系。


图3. PVA-CNF复合凝胶的抗冻表现. a) PVA-CNF水凝胶和有机水凝胶在室温和零下的形貌照片 b) 凝胶在不同温度下的的EIS图谱(25, ?20, ?40, 和 ?70 °C)c)不同温度下的离子电导率; d) 与之前所报道抗冻凝胶的性能对比;e) 不同温度下,凝胶的作为导体接入电路点亮LED灯的能力。


  由于其优异的机械性能、较高的离子电导率、显著的传感灵敏度和信号稳定性,PVA-CNF有机水凝胶在可穿戴传感器方面表现出很大的潜力。本文基于该离子导电有机水凝胶制备了多功能应变传感器,并整合到人体的不同关节上,实时检测人体复杂的运动。


图4. PVA-CNF凝胶传感器用于检测人体各种生命活动。a–c) 手指,手腕,膝盖的弯曲拉伸;d) 人体走路站立的姿;. e) 运动前后的脉搏;f) 发音时喉部肌肉的检测。


  该研究工作发表于Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.202003430)。不列颠哥伦比亚大学可再生功能材料实验室(Sustainable Functional Biomaterials Lab)的博士生Yuhang Ye为论文第一作者,Feng Jiang教授为论文通讯作者,不列颠哥伦比亚大学木材科学系可再生功能材料实验室是论文唯一通讯作者单位。


  原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202003430

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(责任编辑:xu)
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