中北大学李洁教授-李迎春教授课题组 ACS AMI：引入PVDF-TrFE制备具有压电-压阻双模态传感特性的复合水凝胶

2022-10-08 来源：高分子科技

作为一种新型智能材料，导电水凝胶因其具有独特的压阻特性在可穿戴传感领域备受关注。近年来，制备可拉伸、高灵敏的导电水凝胶已成为该领域的研究热点。然而，导电水凝胶普遍存在对动态机械应变的传感响应慢、频响范围窄等问题，已经成为制约其在可穿戴传感应用领域发展的技术瓶颈。结合压电材料在动态感知方面的优势，采用压电和压阻功能集成的思路对水凝胶及其应变传感器件进行结构设计，为提高其智能可穿戴应变传感性能提供可能。

近期，中北大学材料科学与工程学院的李洁教授-李迎春教授课题组报道了一种采用一锅热成型法和溶剂交换法制备的具有压电-压阻双模态传感特性的复合水凝胶（图1）。该复合水凝胶以交联的生物质壳聚糖季铵盐为骨架，聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT: PSS）为导电填料，聚(偏氟乙烯-co-三氟乙烯)（PVDF-TrFE）为压电填料。制备的水凝胶基应变传感器灵敏度高（GF：19.24），线性度较好（0.94），响应快速（响应时间：63.2ms），频响范围较宽（响应频率：5-25Hz），同时具有良好的可拉伸性能（断裂伸长率：293%）和循环稳定性（图2）。

图1 复合水凝胶的制备示意图

图2 复合水凝胶的特性 (a)复合水凝胶的应力-应变曲线；(b)复合水凝胶电阻随应变变化曲线；(c)复合水凝胶与不添加压电相的水凝胶电压响应恢复曲线对比；(d)复合水凝胶响应频率测试曲线。

利用压电-压阻一体化构建复合水凝胶的方式，能够实现动、静态应变响应，获得灵敏且可靠的压电信号以及压阻信号输出，有望解决多层复合结构存在的制备工艺复杂、层间匹配性不佳等问题。采用复合水凝胶制备的可穿戴应变传感器展示了在人体运动以及细微活动监测方面的应用潜力（图3）。有趣的是，复合水凝胶附着在指尖和指背形成传感单元，能精准识别物体的轮廓（图4）。复合水凝胶基阵列传感器也能准确识别不同的按压位置，未来可进一步应用于便携式柔性键盘或可穿戴柔性输入设备（图5）。

图3 复合水凝胶基可穿戴传感器检测人体运动和细微运动 (a)手肘弯曲不同角度下的电阻响应；(b)手腕弯曲不同角度下的电阻响应；(c)膝关节弯曲不同角度下的电阻响应；(d)手指在不同频率和应力下触球的电压输出(×10)；(e)握紧动作的电阻和电压响应；(f)皱眉动作的电阻和电压响应。

图4 复合水凝胶基可穿戴传感器对物体轮廓的精准识别 (a)利用复合水凝胶的压阻性能获得的抓握不同物体的波形信号；(b)复合水凝胶压阻信号强度分布图；(c)利用复合水凝胶的压电性能获得的抓握不同物体的波形信号；(d)复合水凝胶压电信号强度分布图。

图5 复合水凝胶基可穿戴传感器阵列用于数字识别 (a)复合水凝胶的DAQ数据采集实物照片；(b)复合水凝胶传感器阵列照片；(c)通过按压不同位置获得的电压信号曲线；(d)复合水凝胶压电信号强度分布图；(e)复合水凝胶基可穿戴传感器阵列数据采集界面照片。

该研究工作的主要意义在于提供了一种用于可穿戴应变传感器的压电-压阻双模态复合水凝胶的构建方法。该复合水凝胶通过功能协同和优势互补，利用压电与压阻两种效应能够对同一机械应变作出响应，可以更加准确测量机械应变的作用过程。然而，从传感器的应用角度来看，能够准确进行压电与压阻双模态同时测量仍面临挑战，还需进一步探明该复合水凝胶的压电与压阻响应输出规律，明确输出响应范围，并设计可靠的后处理电路同步获取压电与压阻输出信号。相关工作以“Enhancing Strain-sensing Properties of the Conductive Hydrogel by Introducing PVDF-TrFE”为题，在美国化学会（ACS）期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》发表（DOI: 10.1021/acsami.2c13074）。文章的第一作者为中北大学2020级硕士生胡智锐，通讯作者为中北大学李洁教授。该研究工作得到国家自然科学基金、山西省回国留学人员科研资助项目等经费的支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c13074

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（责任编辑：xu）

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