武漢大學製備出離子導電纖維素水凝膠,零下溫度仍能工作

2020-11-22 紡織導報

武漢大學製備出離子導電纖維素水凝膠，零下溫度仍能工作

發表時間：2019/11/5

水凝膠作為一種富含水分的三維材料，具有高彈性、透明性和生物相容性等特性，已被廣泛應用於隱形眼鏡、化妝品、組織工程、傷口敷料等領域。近年來，出現的導電水凝膠在傳感器及柔性電子器件領域具有非常廣泛和重要的應用。然而，傳統水凝膠會在低溫條件下由於結冰而失去原有性能，限制了其在低溫條件下的應用。

武漢大學王洋、呂昂副教授和張俐娜院士成功製備出一種抗凍的離子導電纖維素水凝膠，可用作拉伸、壓縮及溫度傳感器。不同於傳統水凝膠，其抗凍特性使得其在零下溫度仍然可以良好工作。該研究成果發表於《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

研究指出，纖維素水凝膠具有抗凍和導電性能的關鍵在於苄基三甲基氫氧化銨，這種有機鹼的水溶液是該團隊開發出的新型纖維素溶劑體系中的一種。在對纖維素溶液進行化學交聯後，作為溶劑的有機鹼沒有如傳統製備流程那樣被洗去，而是直接保留下來，其作為電解質的特性賦予了纖維素水凝膠整體以抗凍和導電的性能。


傳統纖維素水凝膠與抗凍纖維素水凝膠在低溫下的表現


研究者在-24 ℃的低溫下將抗凍導電水凝膠固定於手指關節，無論以同一幅度手指快速屈伸或是以不同幅度緩慢屈伸，導電水凝膠的電阻相對變化值均能隨著手指動作示出相應的幅度的變化，並且幾乎檢測不到噪音或滯後現象，水凝膠也沒有因拉伸而發生永久形變，表明了導電水凝膠在低溫下具有穩定的力學性能和靈敏的拉伸-電阻響應性能。


抗凍水凝膠作為拉伸傳感器在低溫下模擬手指彎曲動作的響應信號


不僅如此，研究者還將介電彈性體置於導電水凝膠之間可製成「雙響應」傳感器，具有電容-壓敏和電阻-溫敏的雙重傳感性能，進一步實驗證明了這兩種響應方式不會相互幹擾，表明這種基於抗凍導電水凝膠的傳感器具有穩定的機械和熱靈敏度，具有快速可靠、穩定可逆的響應性能和適用於低溫使用的特性，可用於複雜溫度環境下的軟性人工智慧器件。


抗凍導電水凝膠傳感器機械和熱靈敏度實驗


論文題目：Transparent, Antifreezing, Ionic Conductive Cellulose Hydrogel with Stable Sensitivity at Subzero Temperature

論文連結：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b15849

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