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加拿大阿尔伯塔大学曾宏波教授课题组在自修复导电水凝胶应变传感器方面取得进展
2019-06-18  来源:大发排列3网

  导电水凝胶兼具良好的电学性质,可拉伸弯折的机械性能,以及与人体相似的组织结构,因此可以模拟人体肌肉和皮肤的变化,在柔性可穿戴和可植入电子器件方面显示出巨大前景。然而,目前常用的导电高分子材料如聚苯胺,聚吡咯,聚噻吩等通常硬而脆,如何设计出具有高电导率和自修复能力的柔性导电水凝胶以提高其功能性和使用寿命成为近年来导电水凝胶的研究热点。基于水凝胶多孔的结构特点,制备互穿型水凝胶网络可以简单方便地集成多种功能性以及构建协同效应,从而构筑具有理想电学和机械性能的水凝胶传感器。

  最近,加拿大阿尔伯塔大学Hongbo Zeng(曾宏波)教授课题组报道了一种具有高电导率,可塑性和快速修复能力的水凝胶应变传感器。首先,将氢键基团作为交联点与苯乙烯磺酸钠聚合形成第一个柔性水凝胶网络(PSS-UPy),接着原位引发苯胺的聚合形成第二个刚性的导电聚苯胺网络(PANI),两个网络通过静电作用紧密结合,同时UPy 基团间可逆的氢键作用使凝胶表现出温度敏感性和自修复性能 (图1)。

图1. PANI/PSS-UPy 水凝胶合成相互作用及示意图。

  当苯胺含量为0.3 M时,该水凝胶的电导率可高达13 S/m 并可以被反复拉伸6倍以上,尤其是在被外力破坏后表现出快速的自修复性能。当材料被切开后,仅需接触30 s 就可以被再次拉伸而不断裂(图2)。因为氢键在高温下可被破坏从而使凝胶变软,制备的导电水凝胶具有可塑性,在50 度下可以轻松从针头中挤出,构建不同的形状和结构。

图2. PANI/PSS-UPy水凝胶的拉伸和自修复性能。

  该导电水凝胶在0%-300%的拉伸应变下灵敏度稳定在3.4,其应变传感特性被成功用于监测人体的各种大幅度活动和细微的生理信号,比如手指和手腕的弯曲,吞咽动作,声带的振动,以及脉搏跳动的幅度和频率(图3)。其独特的高电导率和快速自修复性能为导电水凝胶的设计提供了新思路。

图3. PANI/PSS-UPy水凝胶应变传感器用于监测(a)手指弯曲(b)手腕弯曲 (c)吞咽 (d)声带振动 (e)脉搏跳动。

  这一成果近期以“Stretchable, Injectable and Self-Healing Conductive Hydrogel Enabled by Multiple Hydrogen Bonding toward Wearable Electronic” 为题发表在 Chemistry of Materials 上, 文章的第一作者是博士生陈静思,通讯作者为曾宏波教授

  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.9b01239

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