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加拿大阿爾伯塔大學曾宏波教授課題組在自修復導電水凝膠應變傳感器方面取得進展
2019-06-18  來源:中國聚合物網

  導電水凝膠兼具良好的電學性質,可拉伸彎折的機械性能,以及與人體相似的組織結構,因此可以模擬人體肌肉和皮膚的變化,在柔性可穿戴和可植入電子器件方面顯示出巨大前景。然而,目前常用的導電高分子材料如聚苯胺,聚吡咯,聚噻吩等通常硬而脆,如何設計出具有高電導率和自修復能力的柔性導電水凝膠以提高其功能性和使用壽命成為近年來導電水凝膠的研究熱點?;谒z多孔的結構特點,制備互穿型水凝膠網絡可以簡單方便地集成多種功能性以及構建協同效應,從而構筑具有理想電學和機械性能的水凝膠傳感器。

  最近,加拿大阿爾伯塔大學Hongbo Zeng(曾宏波)教授課題組報道了一種具有高電導率,可塑性和快速修復能力的水凝膠應變傳感器。首先,將氫鍵基團作為交聯點與苯乙烯磺酸鈉聚合形成第一個柔性水凝膠網絡(PSS-UPy),接著原位引發苯胺的聚合形成第二個剛性的導電聚苯胺網絡(PANI),兩個網絡通過靜電作用緊密結合,同時UPy 基團間可逆的氫鍵作用使凝膠表現出溫度敏感性和自修復性能 (圖1)。

圖1. PANI/PSS-UPy 水凝膠合成相互作用及示意圖。

  當苯胺含量為0.3 M時,該水凝膠的電導率可高達13 S/m 并可以被反復拉伸6倍以上,尤其是在被外力破壞后表現出快速的自修復性能。當材料被切開后,僅需接觸30 s 就可以被再次拉伸而不斷裂(圖2)。因為氫鍵在高溫下可被破壞從而使凝膠變軟,制備的導電水凝膠具有可塑性,在50 度下可以輕松從針頭中擠出,構建不同的形狀和結構。

圖2. PANI/PSS-UPy水凝膠的拉伸和自修復性能。

  該導電水凝膠在0%-300%的拉伸應變下靈敏度穩定在3.4,其應變傳感特性被成功用于監測人體的各種大幅度活動和細微的生理信號,比如手指和手腕的彎曲,吞咽動作,聲帶的振動,以及脈搏跳動的幅度和頻率(圖3)。其獨特的高電導率和快速自修復性能為導電水凝膠的設計提供了新思路。

圖3. PANI/PSS-UPy水凝膠應變傳感器用于監測(a)手指彎曲(b)手腕彎曲 (c)吞咽 (d)聲帶振動 (e)脈搏跳動。

  這一成果近期以“Stretchable, Injectable and Self-Healing Conductive Hydrogel Enabled by Multiple Hydrogen Bonding toward Wearable Electronic” 為題發表在 Chemistry of Materials 上, 文章的第一作者是博士生陳靜思,通訊作者為曾宏波教授。

  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.9b01239

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(責任編輯:xu)
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