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天工大范杰/張青松/夏兆鵬 Mater. Horiz.：可用于冬季運動中的智能運動識別的耐寒、高拉伸性離子導電水凝膠

2024-03-22 來源：高分子科技

隨著社會的發展，人們對于健康和運動的關注度越來越高，因此智能運動監測設備也越來越受歡迎。然而，現有的傳統傳感器存在一些問題，比如在寒冷的冬季運動中易受到冰凍的影響，且易受微生物污染，這些問題限制了它們的實際應用。因此，研究一種具有抗凍性和高度可伸展性的新型傳感器材料，對于解決這些問題具有重要意義。

本研究制備了一種多功能的離子導電水凝膠，該水凝膠具有高強度、良好的導電性、透明度、抗凍性和抗菌性能。研究人員通過在聚乙烯醇（PVA）和羧甲基纖維素（CMC）的基材中引入交聯的AAm和VBIMBr共聚物網絡，通過自由基聚合反應構建了這種水凝膠。由于共聚物之間的多種相互作用，包括共價交聯、多重氫鍵相互作用和靜電相互作用，所得到的離子導電水凝膠表現出高拉伸強度（360.6 kPa）、大斷裂伸長率（810.6%）、良好的韌性和疲勞抗性能。VBIMBr的引入賦予了PCPAV水凝膠良好的透明度（約92%）、高離子電導率（15.2 mS/cm）和抗菌活性，且在低于零度的溫度下具有良好的柔性和導電性。值得注意的是，該水凝膠具有廣泛的應變范圍（0-800%）、高應變靈敏度（GF = 3.75）、快速響應、長期穩定性和極佳的耐久性，使其能夠檢測到大關節運動和微小肌肉運動。

圖1. PCPAV水凝膠的合成機理以及交聯相互作用。

圖1展示了多功能離子導電水凝膠（PCPAV）的合成機理以及分子鏈之間的相互作用。通過共價相互作用、多重氫鍵相互作用以及靜電相互作用的協同作用構成了PCPAV水凝膠的三維網絡結構。

圖2. PCPAV水凝膠的機械性能、透明度和電導率

如圖2所示，PC₁PAV₂₀水凝膠能夠拉伸、彎曲、扭轉、打結、壓縮，并且具有抗切割的能力。PC₁PAV₂₀水凝膠具有最大的斷裂伸長率（約800%）和斷裂強力（約360 kPa），并且具有約1100 kPa最大抗壓強度。水凝膠的透光率和電導率均隨著VBIMBr含量的增加而增加。

圖3. PCPAV水凝膠的防凍性和保水性

如圖3所示，PC₁PAV₂₀水凝膠表現出較強的環境適應性，與不含VBIMBr的PC₁PAV₀水凝膠相比， PC₁PAV₂₀水凝膠具有更好的防凍性和保水性。

圖4. PCPAV水凝膠的抗菌性能

如圖4所示， PCPAV水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果均隨著VBIMBr含量的增加而明顯增強。PCPAV水凝膠的抗菌活性這可歸因于兩個方面，一方面，VBIMBr中咪唑陽離子的正電荷與細菌細胞膜中的磷酸基團之間存在靜電相互作用，導致VBIMBr優先吸附在細胞膜上。另一方面，VBIMBr末端烷基鏈會插入細胞膜的親脂區域，引起細胞膜穿孔，造成不可逆的物理損傷，最終導致細菌死亡，從而達到抗菌的目的。

圖5. PCPAV水凝膠應變傳感器的傳感性能

為了表明PCPAV水凝膠作為應變傳感器在柔性可穿戴電子產品中的潛力，對其進行了傳感性能的研究。結果如圖5所示，水凝膠傳感器具有出色的傳感可靠性、穩定性、響應時間、信號同步性和耐用性。

圖6. PCPAV水凝膠應變傳感器監測大尺度關節運動

圖7. PCPAV水凝膠應變傳感器檢測微小肌肉運動以及用作書寫板和電子筆

將水凝膠組裝成傳感器，它可以檢測人體不同關節的運動，并且在低溫下同樣能夠輸出穩定的電信號（圖6）。此外，它還可以檢測聲帶振動、面部表情等微小肌肉運動。特別是，可以檢測到脈搏的跳動。此外，它還可以作為書寫板應用于防偽和保密設備中，水凝膠還可以用作電子筆撥打電話，表明其在人機交互領域中的應用潛力（圖7）。

總結展望：

在這項工作中，研究人員通過簡單的自由基聚合和隨后的凍融循環兩步過程成功制備了一種多功能PCPAV離子導電水凝膠。該水凝膠具有改善的機械性能，這是通過精心設計的網絡結構和相互作用來實現的。由PVA 鏈、CMC 鏈和 PAV鏈形成的半互穿網絡結構是改善水凝膠機械性能基礎。此外，多重交聯網絡結構，包括共價交聯網絡，多重氫鍵相互作用以及靜電相互作用也有助于提高水凝膠的機械性能。此外，水凝膠中由氫鍵和靜電作用組成的物理交聯網絡還賦予了水凝膠良好的自我恢復和抗疲勞性能。VBIMBr的引入是賦予PCPAV水凝膠多功能性的關鍵，包括出色的透明度（~92%）、高離子導電性（15.2 mS/cm），優異的抗菌活性，并且在-20°C的溫度下仍能保持柔韌性和導電性。特別是，PCPAV水凝膠還表現出寬工作范圍（0-800%）、高應變靈敏度（GF=3.75）、快速響應、長期穩定性和耐用性。PCPA水凝膠的上述優異特性使其有望應用于柔性水凝膠傳感器，用于健康監測、人體運動檢測、軟機器人、離子皮膚、人機界面和其他可穿戴電子設備。

原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d3mh02013d

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（責任編輯：xu）

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