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南京林業大學何明教授課題組《Chem. Eng. J.》：定向離子擴散和冷凍結合制備梯度水凝膠用于壓力傳感

2022-08-13 來源：高分子科技

作為一種高含水量的柔性、韌性兼具的材料，導電離子水凝膠在電學和力學等方面有著獨特的優勢，其在柔性壓力傳感器、生物組織工程和仿生致動機器人等領域都具有非常高的研究價值。在壓力傳感應用領域，由于普通結構(各向同性)的水凝膠在較高壓力下會產生應變飽和，電容信號敏感度下降等問題，很難實現寬壓力響應范圍和高靈敏度的目標，因此，開發具有特殊結構的離子水凝膠壓力傳感器具有重要的研究意義。目前的策略主要集中在水凝膠的結構設計和優化，包括引入金字塔結構或皺紋結構，以減少壓縮過程中的初始接觸面積和增加最終接觸面積。盡管這些策略在相同靈敏度的情況下極大地擴大了檢測范圍，但與人類皮膚的傳感能力相比仍有很大差距。

何明教授課題組在利用離子效應誘導制備梯度結構水凝膠方面進行了系列研究。在前期通過CaCl₂溶液定向擴散制備梯度各向異性纖維素水凝膠的研究工作基礎上（Fabrication of Gradient Anisotropic Cellulose Hydrogels for Applications in Micro-strain Sensing, Carbohydrate Polymers, 258 (2021) 117694），最近又提出了利用定向離子擴散和冷凍法相結合的方式制備了梯度離子聚乙烯醇凝膠。相關研究結果以“Preparation of Gradient Hydrogel for Pressure Sensing by Combining Freezing and Directional Diffusion Processes”發表于化工領域知名期刊《Chemical Engineering Journal》，第一/通訊作者分別為南京林業大學理學院碩士研究生朱聞卓、何明教授。

該研究通過將PVA溶液置于25 wt%NaCl溶液中在–15°C下定向擴散8 h成功制備了具有梯度結構的PVA水凝膠。在低溫下制備的特點在于，一方面，離子擴散速率降低，自下而上的離子擴散鹽析驅動PVA分子鏈聚集，有利于在凝膠底部形成致密結構。另一方面，由于冰晶的形成受鹽濃度的影響，PVA溶液發生自上而下的冷凍，在凝膠的上部形成多孔結構。因此，凝膠的頂部是柔軟的，凝膠的底部是堅韌的，并顯示出彈性模量的顯著差異。梯度水凝膠具有良好的機械性能和抗壓縮疲勞性。作為一種靈活的電容式壓力傳感器，梯度離子凝膠具有1.09 kPa^-1（<100 kPa）的高靈敏度和寬檢測范圍（400 Pa至0.8 MPa）。優異的電容信號穩定性使梯度離子凝膠成為高度可靠的壓力傳感器，可監測各種生理信號和人體運動。該策略為制造梯度水凝膠提供了創新途徑，為仿生材料的研究提供了靈感。

圖1 低溫下離子定向擴散法制備梯度PVA水凝膠的示意圖

圖2 (a) 在不同擴散溫度（25 °C，0 °C，–15 °C和–20 °C）下制備的水凝膠的壓縮應力-應變曲線。(b) 在–15°C下具有不同擴散時間（2 h，4 h，8 h和14 h）的水凝膠的壓縮應力-應變曲線。(c) 梯度水凝膠的橫截面SEM圖像，概覽圖（左側）和部分放大圖（右側）(d) 在不同設定壓力下梯度凝膠和均勻凝膠的比較照片。

圖3 (a) 具有夾層結構的壓力傳感器的示意圖。(b) 梯度離子凝膠和均相離子凝膠的壓力-電容響應曲線。(c) 在周期性負載壓力下梯度離子凝膠的ΔC/C₀_。(d)梯度凝膠傳感器的瞬時響應性。(e) 用于微小壓縮應變的梯度凝膠傳感器的ΔC/C₀_。(f) 用于大壓縮應變的梯度凝膠傳感器的ΔC/C₀。

圖4 (a) 在80 kPa的壓力下進行1000次循環的動態電容響應。插圖顯示了前十個周期和后十個周期的曲線。(b) 在應變范圍為0-50 %的不同頻率（0.15 Hz、0.2 Hz、0.3 Hz）下梯度凝膠傳感器的ΔC/C₀。

圖5 (a) 對從不同高度連續下落的水滴（310 mg）進行實時測量。(b) 當手指以不同的壓力按壓凝膠時，梯度凝膠傳感器的ΔC/C₀，即輕輕觸摸(≈10 kPa），中等觸感(≈20 kPa）和重觸(≈50 kPa）。插圖顯示了用手指按壓凝膠的照片。(c) 當食指以不同角度（0°, 30°, 45°, 60°和90°）彎曲時，相對電容隨時間變化。(d) 監測脈搏時，相對電容隨時間變化。插圖顯示了凝膠傳感器作為可穿戴脈搏監視器的照片。

論文網址鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722038189

https://authors.elsevier.com/a/1fYrD4x7R2cccj

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（責任編輯：xu）

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