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天津大學(xué)李俊杰教授團(tuán)隊 CEJ：各向異性導(dǎo)電水凝膠用于人體運(yùn)動監(jiān)測和無線傳感
2023-03-05  來源：高分子科技

  大多數(shù)制備的水凝膠由具有各向同性結(jié)構(gòu)的均勻分布的聚合物鏈組成，而各向異性結(jié)構(gòu)在自然界中更為常見。與傳統(tǒng)的各向同性水凝膠相比，各向異性水凝膠可通過機(jī)械拉伸結(jié)合配位交聯(lián)制備，基于其各向異性結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出各向異性的機(jī)械和導(dǎo)電性能，沿平行于拉伸方向表現(xiàn)出增強(qiáng)的應(yīng)變傳感性能。同時，水凝膠傳感器還可以實(shí)現(xiàn)無線傳感。



  近日，天津大學(xué)化工學(xué)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(yīng)變傳感器。作者選擇聚丙烯酰胺（PAAm）和海藻酸鈉（SA）作為雙網(wǎng)絡(luò)（DN）系統(tǒng)的組成部分，并將MXene納米片用作納米填料以增強(qiáng)水凝膠的機(jī)械性能和導(dǎo)電性。通過將PAAm-SA-MXene(PSM)水凝膠預(yù)拉伸到一定長度，然后SA與鋯離子(Zr4+)之間進(jìn)行配位交聯(lián)，獲得了各向異性導(dǎo)電水凝膠(PSMZ)（圖1）。各向異性水凝膠表現(xiàn)出增強(qiáng)的機(jī)械和導(dǎo)電性能。該研究通過改變水凝膠的結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)水凝膠的應(yīng)變傳感性能，為探索用于柔性電子應(yīng)用的導(dǎo)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(shí)了PSMZ水凝膠中具有明顯的各向異性結(jié)構(gòu)。水凝膠平行于拉伸方向的應(yīng)力為2.68 MPa，斷裂應(yīng)變達(dá)到570%。沿平行拉伸方向（PSMZ‖）的應(yīng)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(dǎo)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(jié)構(gòu)及力學(xué)、導(dǎo)電性能


  在加載-卸載循環(huán)中，拉伸應(yīng)變可以轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電信號。此外，在相同的拉伸應(yīng)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(yīng)變下的ΔR/R0大于PSMZ?水凝膠和各向同性水凝膠。在20%應(yīng)變下600次循環(huán)的ΔR/R0表現(xiàn)出良好的重復(fù)性。PSMZ‖水凝膠顯示出卓越的綜合性能，具有2.68 MPa的高應(yīng)力、570%的高應(yīng)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(yīng)變傳感性能


  各向異性PSMZ水凝膠具有出色的傳感性能，應(yīng)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(fù)動作時，傳感器能夠傳遞出穩(wěn)定可重復(fù)的電信號，并且可以監(jiān)測面部表情的變化，應(yīng)變傳感器還可以通過設(shè)備進(jìn)行無線監(jiān)測（圖4）。含MXene的各向異性水凝膠傳感器在柔性可穿戴設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。 


圖4 基于各向異性PSMZ水凝膠的應(yīng)變傳感器的實(shí)際應(yīng)用


  該研究成果于2月24日在線發(fā)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(xué)化工學(xué)院博士生郭丙炎，通訊作者為天津大學(xué)化工學(xué)院李俊杰教授和姚芳蓮教授。該工作得到2030科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(2021ZD0201600)和國家自然科學(xué)基金(31971250、U20A20261)、海河實(shí)驗(yàn)室的資金支持。


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

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