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加拿大阿尔伯塔大学曾宏波教授课题组JMCA:在高弹性自修复导电水凝胶传感器方面取得进展
2020-11-21  来源:高分子科技

  柔性电子元器件因其在可穿戴电子设备和电子皮肤等新兴领域的巨大应用前景而受到了广泛的关注,导电水凝胶具有与人体组织相似的结构,兼具柔性和导电性,可提供良好的人机接触体验,是制备柔性电子器件的理想材料。然而,传统水凝胶力学强度、可拉伸性以及回弹性都较差,制备具有良好机械性能同时兼备高导电性的水凝胶一直以来都是研究的重点。另外,由于天然皮肤具有自愈能力和对多重外界刺激(如温度、应变和压力)的感知能力,如何设计出具有优异力学电学性能同时集成天然皮肤的多种功能性的水凝胶,拓宽其应用领域以及提高其使用寿命,是近几年导电水凝胶研究的热点。


  最近,加拿大阿尔伯塔大学曾宏波教授课题组报道了一种具有高弹性、高拉伸性、自修复以及温度响应性的水凝胶应变/压力传感器。该水凝胶 (缩写为PAAFC-L)的制备是在分散有羧基化多壁碳纳米管 (MWCNT)和醛基封端的PEO-PPO-PEO(F127-CHO)胶束以及溶有氯化锂 (LiCl)的水溶液中,原位引发丙烯酰胺和氨基功能化单体(AEAM)共聚而实现的。其中,聚丙烯酰胺通过分子间氢键构筑了该水凝胶的基础网络,通过与AEAM的共聚,同时实现了与MWCNT (通过静电相互作用)和F127-CHO (通过席夫碱反应)的良好界面相互作用,构筑了紧密的交联网络,如图1所示。


图1. PAAFC-L 水凝胶合成及相互作用示意图。


  该水凝胶具有良好的可拉伸性 (断裂应变1200%),如图2a和b所示。并且具有优异的抗疲劳性能和回弹性,其可被反复拉伸至10倍以上并几乎完全回复原有强度和形状 (图2c), 该水凝胶也可以在一定程度上抵抗尖锐物体的破坏(图2d)。由于其交联网络由动态物理和化学键构成,该水凝胶表现出良好的自修复性能(图2e)。另外,由于F127-CHO胶束的温敏性,该水凝胶的透明度随着温度改变可发生快速且可逆的变化,在常温下是半透明,在人体温度(37 °C)则变为完全透明(图2f)。


图2. PAAFC-L水凝胶的 (a,b)拉伸性能、(c,d)回弹性能、(e)自修复性能和(f)温敏性。


  该水凝胶具有良好的导电性,电导率为3.96 S/m,其对拉伸应变和压力变化都有较高灵敏度。因此,该水凝胶被作为传感器成功应用于监测人体的各种大幅度活动和细微的生理信号,比如手指弯曲、声带振动和脉搏跳动,如图3所示。值得一提的是,当其用作监测人体脉搏跳动时,可以成功捕捉到运动前后脉搏波形的细微变化,这在现有水凝胶传感器中是比较少见的。另外,作者将该水凝胶与睡眠眼罩结合,将制作的“智能眼罩”用来监控睡眠,并在监测人体快速眼动睡眠(REM sleep)上取得了较高的敏感度和准确性,如图4所示。该水凝胶独特的高弹性和自修复性能以及优异的传感性能为导电水凝胶的设计和应用提供了新思路。


图3. PAAFC-L水凝胶柔性传感器用于监测(a)手指弯曲、(b)声带振动和(c)脉搏跳动, (d,e)运动前后脉搏波形变化。


图4. PAAFC-L水凝胶传感器用于监测睡眠。


  这一成果近期以“Ultra elastic, stretchable, self-healing conductive hydrogels with tunable optical properties for highly sensitive soft electronic sensors” 为题发表在 Journal of Materials Chemistry A上,文章的第一作者是阿尔伯塔大学化工与材料系博士生武盟,通讯作者为曾宏波教授


  论文链接: https://doi.org/10.1039/D0TA09735G 

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