導電水凝膠作為生物電子材料在人機互動技術領域有著廣闊的應用前景。但是,低溫結冰和水分蒸髮帶來的性能下降是限制其應用的瓶頸。為解決這一問題,華南理工大學陳港團隊製備了基於MXene的導電有機水凝膠,該凝膠在-36-60℃的溫度範圍內都能保持極好的柔性和極高的電導率,同時具有良好的環境穩定性(超過7天),最高能夠承受1500%的應變,並且應變靈敏度達到8.1。該研究以題為「MXene-Based Conductive Organohydrogels with Long-Term Environmental Stability and Multifunctionality」發表在《Advanced Functional Materials》上,況宇迪博士後和陳港教授為該論文的共同通訊作者。
【有機水凝膠的製備以及形貌】
作者利用甘油作為抗凍劑,纖維素作為力學支撐骨架,聚丙烯醯胺作為彈性骨架,MXene作為導電骨架,利用簡便的紫外光固化,製備了如圖所示的導電有機水凝膠(PTCM-Gly)。該有機水凝膠是由內部相互貫穿並相互作用的多重網絡組成的,因此展示出了極好的可拉伸性,電響應性以及環境穩定性。PTCM-Gly5與PTCM-Gly1相比具有更好的柔性,同時從微觀形貌看出,PTCM-Gly5內部的孔洞更小,這也說明甘油起到了抑制冰晶生長的作用。
圖1 PTCM-Gly的製備過程以及機理圖
圖2 纖維素,MXene以及PTCM-Gly的微觀形貌
【PTCM-Gly的機械以及電學穩定性】
隨後,作者表徵了PTCM-Gly的抗凍性能以及循環穩定性。結果表明,隨著甘油的加入,PTCM-Gly的抗凍性能逐漸提高,其中PTCM-Gly5在-36℃下仍然能夠保持極好的可拉伸性。此外,PTCM-Gly5在環境中放置7天後,質量保持率能達到80%左右,同時最大應變能夠保持在1000%以上,展示出了極好的環境穩定性。此外,經過不同應變的拉伸循環後,PTCM-Gly仍能保持較好的機械穩定性。
此外,作者還研究了PTCM-Gly5作為傳感器件的靈敏度以及在不同溫度下的電學穩定性。作為傳感器件,PTCM-Gly5的應變靈敏度能夠達到8.21。PTCM-Gly5還能夠分辨出不同的拉伸速率(40-200 mm/min)。更重要的是,PTCM-Gly5不僅能夠及時響應小應變(1-5%),還能及時的響應大的應變(20-320%),展示出極好的傳感性能。此外,PTCM-Gly5在-36℃和60℃下,電導率分別為1.1 mS/cm和1.9 mS/cm,顯示出了極好的溫度穩定性。
圖3 PTCM-Gly的機械穩定性
圖4 PTCM-Gly的電學穩定性以及靈敏度
【PTCM-Gly5的自修復性以及自粘附性】
PTCM-Gly5除了具有極好的力學和電學穩定性之外,還具有極好的自粘附性,能夠很好的粘附在皮膚、PTFE、木材、金屬、塑料、玻璃和橡膠等材料表面,展示出良好的應用前景。其中,在木材表面的粘結強度達到了117 N/m。此外,PTCM-Gly5還具有極好的自修復性,在切成兩半後,經過2s的接觸就能恢復良好的導電性,同時最大應變能夠達到接近1200%。
圖5 PTCM-Gly的自修復以及自粘附性
【PTCM-Gly5的實際應用】
作者隨後研究了PTCM-Gly5的傳感性能。結果表明,自修復後的PTCM-Gly5仍能夠分辨出應變快慢的變化。同時,PTCM-Gly5器件能夠監測跑步的速度、面部表情以及說話的詞語等,在智能人機互動方向展示出了良好的應用潛力。
圖6 PTCM-Gly的應用展示
【總結】作者利用簡便的方法製備了具有優異的拉伸性、極好的抗凍性、長時間環境穩定性、可逆粘附性以及高靈敏度的導電有機水凝膠材料。該材料同時具有良好的自修復性能,對大小應變都具有極高的靈敏度,為製備高性能水凝膠傳感器用於人機互動領域提供的新的思路。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202005135
來源:高分子科學前沿
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