離子導(dǎo)電水凝膠因其良好的柔韌性和導(dǎo)電性，已廣泛應(yīng)用于生物電子學(xué)、可穿戴傳感器和人機界面等領(lǐng)域。然而，由于水凝膠聚合物骨架上含有豐富的親水側(cè)基，傳統(tǒng)的離子導(dǎo)電水凝膠在高濕度下極易過度膨脹，從而破壞離子導(dǎo)電水凝膠的導(dǎo)電性和機械性能，使電子器件失效。因此，迫切需要制備具有良好導(dǎo)電性和抗溶脹性能的離子導(dǎo)電水凝膠。
中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所劉鶴研究團隊和南京林業(yè)大學(xué)徐徐教授研究團隊報道了一種離子導(dǎo)電水凝膠(Ion-C-P(AA-co-AAm)),將丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AAm)在含有鋅離子(Zn2+）和鋁離子(Al3+)的纖維素溶液中共聚。纖維素法分子中的?OH、Aam分子中的?NH2及AA分子中 的?COOH形成了多重氫鍵結(jié)構(gòu)（圖1）。水凝膠中的氫鍵發(fā)生斷裂并重建，最終形成相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，即使在長期浸泡在水中后也不會發(fā)生過度膨脹，極大提升了Ion-C-P(AA-co-AAm)水凝膠的抗溶脹性能。同時，多重氫鍵提高了水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的密度，所制備的水凝膠即使在重物壓力下也能保持良好的壓縮性能。另外，體系中存在的大量離子還提供了高導(dǎo)電性和防凍能力。該水凝膠可以在極端條件下保持應(yīng)變敏感性和穩(wěn)定性，并可以較好地監(jiān)測人類運動。
圖1 Ion-C-P(AA-co-AAm)中的多重氫鍵示意圖
多重氫鍵賦予了水凝膠優(yōu)異的抗溶脹性能和壓縮力學(xué)性能。Ion-C-P(AA-co-AAm)水凝膠在不同溶液中浸泡一定天數(shù)仍然保持良好的尺寸穩(wěn)定性(圖3a)和抗溶脹性能(圖3b)，由于凝膠網(wǎng)絡(luò)的靜電排斥和氫鍵相互作用幾乎相等，水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。通過與不添加纖維素的水凝膠對比，證明纖維素的引入使水凝膠結(jié)構(gòu)實現(xiàn)尺寸穩(wěn)定性。同時，Ion-C-P(AA-co-AAm)水凝膠在浸泡前后均保持了較高的機械性能，其極限應(yīng)力可達到24.11 MPa(圖3c)。
圖3 Ion-C-P(AA-co-AAm)水凝膠的抗溶脹能力和力學(xué)性能(a) Ion-C-P(AA-co-AAm)分別在去離子水、Na2SO4溶液和PBS溶液中浸泡14天的照片；Ion-C-P(AA-co-AAm)、P(AA-co-AAm)和Ion-P(AA-co-AAm)的 (b) 溶脹比(c) 壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線和(d)極限應(yīng)力；Ion-C-P(AA-co-AAm)不同浸泡天數(shù)的(e) 壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(f) 楊氏模量值(g) 循環(huán)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線；Ion-C-P(AA-co-AAm)分別浸入去離子水、Na2SO4溶液和PBS溶液(h) 溶脹比和(i) 楊氏模量值；(j) Ion-C-P(AA-co-AAm)與先前報道的水凝膠在機械性能和抗溶脹率方面的比較。
圖4 Ion-C-P(AA-co-AAm)的導(dǎo)電和抗凍性能表征(a) Ion-C-P(AA-co-AAm) 作為導(dǎo)體的發(fā)光LED在低溫下處于平坦、扭曲和壓縮狀態(tài)的光學(xué)圖像；不同浸泡天數(shù)Ion-C-P(AA-co-AAm)的(b) EIS曲線(c) 電導(dǎo)率(d) 離子電導(dǎo)率變化曲線；(e)不同浸泡時間的在?20℃下的EIS曲線和(f) 離子電導(dǎo)率；(g) Ion-C-P(AA-co-AAm)在不同溫度下浸泡14天后的離子電導(dǎo)率；(h) Ion-C-P(AA-co-AAm)和其他已報道的水凝膠的離子導(dǎo)電性。
圖5 基于Ion-C-P(AA-co-AAm)的傳感器的應(yīng)用(a) Ion-C-P(AA-co-AAm)的應(yīng)變依賴性電阻變化；(b) 在10%、20%和30%的固定應(yīng)變下分別測量9個周期的實時響應(yīng)線；(c) 透析平衡后浸泡1天的水凝膠用作應(yīng)變傳感器，以感測人類手指的壓縮運動；；(d) Ion-C-P(AA-co-AAm)在30%的固定應(yīng)變下測量的不同溶脹時間的實時響應(yīng)曲線，每次8個循環(huán)；(e) 在30%的固定應(yīng)變下，在0℃下測量不同溶脹時間的Ion-C-P(AA-co-AAm)的實時響應(yīng)曲線，每次8個循環(huán)；(f) 將浸泡1、7和14天的水凝膠用作應(yīng)變傳感器，以感測人類手指的壓縮運動；檢測人體運動的攝影圖像和輸出電壓信號，包括(g, h) 男孩和(i, j) 女孩。
該團隊報道了一種基于多重氫鍵構(gòu)筑的抗溶脹導(dǎo)電水凝膠并將其成功應(yīng)用于柔性傳感器。通過離子溶液直接溶解纖維素，將其與丙烯酸、丙烯酰胺共聚物交聯(lián)形成多重氫鍵，賦予水凝膠優(yōu)異的抗溶脹性、力學(xué)性能、抗凍性能以及離子導(dǎo)電性能，為擴展水凝膠在柔性電子領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148318
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