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    不列顛哥倫比亞大學Feng Jiang教授團隊AFM:用于多功能傳感器的高強度、可拉伸、耐冷凍離子導電有機水凝膠
    2020-07-21  來源:高分子科技

      隨著物聯網技術高速發展,應用于人機交互材料的需求也不斷增加。相對于傳統固態剛性的電子導體來說,柔性離子導體由于其高延展性、透明度、可調力學性能和生物相容性等特性受到了廣泛關注。作為最有前景的材料之一,離子導電水凝膠在人造組織以及可穿戴電子器件等人工智能方面的應用受到了廣泛的關注。目前,傳統的導電水凝膠仍舊存在諸多問題,尤其是無法兼顧平衡強度、韌性、以及高離子電導率等性能。一般來說,高強度的水凝膠其離子電導率通常較低,然而離子電導率高的水凝膠其力學強度通常較低。此外,水凝膠的低溫離子電導率通常也不理想。因此,如何平衡導電凝膠強度、韌性、離子電導率及抗凍的性能仍然是一個亟需解決的問題。


      針對以上問題,不列顛哥倫比亞大學的Feng Jiang教授團隊采用溶膠-凝膠法,在低溫環境下制備了TEMPO 氧化納米纖維素(CNF)溶液與聚乙烯醇(PVA)有機水凝膠。納米纖維素和聚乙烯醇首先分散溶解在DMSO-水的溶劑體系下,然后通過迅速降溫至-20攝氏度促成溶膠-凝膠轉化。由于DMSO和水的分子間氫鍵的作用,PVA可以形成較小的晶體結構,從而對凝膠起到增強的作用。此外,由于DMSO-水具有較低的溶點,可以賦予有機水凝膠抗凍性能。通過在有機水凝膠體系中引入氯化鈉溶液,賦予了凝膠良好的離子導電性能。這種新型的凝膠展現出優越的機械性能、高透明性、及其較高的離子電導率和抗凍性。


    圖 1. a) PVA-CNF 復合凝膠示意圖; b) 復合凝膠光學特性(紫外可見光譜); c) 復合凝膠環境穩定性(濕度15%,溫度40 ℃)


    機械性能和導電性


      PVA作為無毒綠色的高分子為凝膠系統提供了良好的機械性能基礎,CNF較強的氫鍵作用及其本身較高的模量使其在復合凝膠中起到出色的力學增強作用。因此,制備的有機水凝膠具備較高的拉伸強度(2.1MPa),斷裂伸長率(660%),以及韌性(5.25 MJ/m3)。一般來說,由于凝膠內部離子遷移受到高分子交聯作用的阻撓,高強度的凝膠通常具有較低離子電導率。本文作者采用TEMPO氧化使CNF表面羧基化從而帶有良好的負電性,其帶電表面能促進離子的移動和增加離子電導率。實驗結果表明,有機水凝膠的離子電導率隨著CNF的添加量的增加而提高。當CNF的含量為4%時,其離子電導率可以達到3.2 S/m。CNF促進離子電導率的機理可歸因于以下因素。其一,CNF的引入可以讓凝膠本身形成多等級層次化結構,從而提供更多的表面積用于離子移動。此外, CNF表面豐富的羧基會吸引更多反離子,為離子轉移提供更多的跳躍位點。


    圖 2. 凝膠導電特性的表征。 不同鹽離子濃度置換后的復合凝膠EIS 譜圖:a) 0.05 M and b) 1 M NaCl 溶液; c) 不同鹽離子濃度置換后的復合凝膠離子電導率; d) 與之前報道的離子凝膠對比圖;e) 離子凝膠作為導體連入電路點亮LED燈,其亮度在拉伸和壓縮下的變化。


    抗凍性能


      為了克服傳統導電凝膠易失水和低溫下結冰的缺點,作者使用DMSO-水的雙相溶劑體系作為凝膠液態填充相。DMSO和水的氫鍵作用會顯著降低水的冰點和揮發點,使其凝膠具有良好的保水性和低溫下仍具有良好的性能。值得一提的是,DMSO相對于其他用于雙相體系的有機溶劑來說介電常數與水更接近,從而不會犧牲有機水凝膠的離子電導率。制備的有機水凝膠可以在超低溫下仍舊保持良好的離子電導率。其中在-70攝氏度下的1.1 S/m的離子電導率要明顯優于已知的其他低溫有機水凝膠體系。


    圖3. PVA-CNF復合凝膠的抗凍表現. a) PVA-CNF水凝膠和有機水凝膠在室溫和零下的形貌照片 b) 凝膠在不同溫度下的的EIS圖譜(25, ?20, ?40, 和 ?70 °C)c)不同溫度下的離子電導率; d) 與之前所報道抗凍凝膠的性能對比;e) 不同溫度下,凝膠的作為導體接入電路點亮LED燈的能力。


      由于其優異的機械性能、較高的離子電導率、顯著的傳感靈敏度和信號穩定性,PVA-CNF有機水凝膠在可穿戴傳感器方面表現出很大的潛力。本文基于該離子導電有機水凝膠制備了多功能應變傳感器,并整合到人體的不同關節上,實時檢測人體復雜的運動。


    圖4. PVA-CNF凝膠傳感器用于檢測人體各種生命活動。a–c) 手指,手腕,膝蓋的彎曲拉伸;d) 人體走路站立的姿;. e) 運動前后的脈搏;f) 發音時喉部肌肉的檢測。


      該研究工作發表于Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.202003430)。不列顛哥倫比亞大學可再生功能材料實驗室(Sustainable Functional Biomaterials Lab)的博士生Yuhang Ye為論文第一作者,Feng Jiang教授為論文通訊作者,不列顛哥倫比亞大學木材科學系可再生功能材料實驗室是論文唯一通訊作者單位。


      原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202003430

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    (責任編輯:xu)
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