天津大学李俊杰教授团队 CEJ：各向异性导电水凝胶用于人体运动监测和无线传感

2023-03-05 来源：高分子科技

大多数制备的水凝胶由具有各向同性结构的均匀分布的聚合物链组成，而各向异性结构在自然界中更为常见。与传统的各向同性水凝胶相比，各向异性水凝胶可通过机械拉伸结合配位交联制备，基于其各向异性结构表现出各向异性的机械和导电性能，沿平行于拉伸方向表现出增强的应变传感性能。同时，水凝胶传感器还可以实现无线传感。

近日，天津大学化工学院李俊杰教授和姚芳莲教授报道了含MXene的各向异性水凝胶应变传感器。作者选择聚丙烯酰胺（PAAm）和海藻酸钠（SA）作为双网络（DN）系统的组成部分，并将MXene纳米片用作纳米填料以增强水凝胶的机械性能和导电性。通过将PAAm-SA-MXene(PSM)水凝胶预拉伸到一定长度，然后SA与锆离子(Zr⁴⁺)之间进行配位交联，获得了各向异性导电水凝胶(PSMZ)（图1）。各向异性水凝胶表现出增强的机械和导电性能。该研究通过改变水凝胶的结构来增强水凝胶的应变传感性能，为探索用于柔性电子应用的导电水凝胶开辟了一条新途径。

图1 各向异性PSMZ水凝胶的制备示意图

PSMZ水凝胶截面的SEM图，小角X射线散射（SAXS）中明显的椭圆散射图案及计算得到的取向度均证实了PSMZ水凝胶中具有明显的各向异性结构。水凝胶平行于拉伸方向的应力为2.68 MPa，断裂应变达到570%。沿平行拉伸方向（PSMZ_‖）的应力是沿垂直拉伸方向（PSMZ_?）的2.18倍，是各向同性水凝胶的1.46倍。PSMZ_‖水凝胶的弹性模量和韧性高于PSMZ_?水凝胶和各向同性水凝胶。PSMZ_‖水凝胶的电导率为0.096 S/m，是PSMZ_?水凝胶（0.058 S/m）的1.66倍，是各向同性水凝胶（0.072 S/m）的1.33倍（图2）。

图2 各向异性PSMZ水凝胶的结构及力学、导电性能

在加载-卸载循环中，拉伸应变可以转化为稳定的电信号。此外，在相同的拉伸应变下，水凝胶沿不同拉伸方向的相对电阻变化（ΔR/R₀）存在显著差异。PSMZ_‖水凝胶在不同应变下的ΔR/R₀大于PSMZ_?水凝胶和各向同性水凝胶。在20%应变下600次循环的ΔR/R₀表现出良好的重复性。PSMZ_‖水凝胶显示出卓越的综合性能，具有2.68 MPa的高应力、570%的高应变、1.83 MPa的弹性模量、7.99 MJ/m³的韧性和高灵敏度2.83 (0-120%)、5.52 (120-300%)和7.44 (300-510%)（图3）。

图3 各向异性PSMZ水凝胶的的应变传感性能

各向异性PSMZ水凝胶具有出色的传感性能，应变传感器可以贴合在人体不同部位上，如手腕、膝盖、面部等。重复动作时，传感器能够传递出稳定可重复的电信号，并且可以监测面部表情的变化，应变传感器还可以通过设备进行无线监测（图4）。含MXene的各向异性水凝胶传感器在柔性可穿戴设备中具有广阔的应用前景。

图4 基于各向异性PSMZ水凝胶的应变传感器的实际应用

该研究成果于2月24日在线发表于国际知名期刊Chemical Engineering Journal（DOI: 10.1016/j.cej.2023.142099）上。文章的第一作者为天津大学化工学院博士生郭丙炎，通讯作者为天津大学化工学院李俊杰教授和姚芳莲教授。该工作得到2030科技创新重点项目(2021ZD0201600)和国家自然科学基金(31971250、U20A20261)、海河实验室的资金支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142099

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（责任编辑：xu）

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