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湖南工業(yè)大學(xué)經(jīng)鑫教授課題組 AFM：具有超低滯后、超快響應(yīng)及高線性的多功能有機(jī)凝膠
2023-02-12  來(lái)源：高分子科技

  柔性傳感器作為智能可穿戴設(shè)備的核心部件，在拉伸、彎曲、折疊等復(fù)雜狀態(tài)下仍能正常工作，被廣泛應(yīng)用于電子皮膚、健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互等方面。其中，水凝膠作為一種典型的濕軟材料，因其具有良好的生物相容性和優(yōu)異的性能可調(diào)性，被認(rèn)為是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)智能可穿戴設(shè)備的理想選擇之一。湖南工業(yè)大學(xué)經(jīng)鑫研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)致力于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有高穩(wěn)定的導(dǎo)電水凝膠材料：（1）利用貽貝仿生改性氧化石墨烯及Mxene等填料、溶劑置換策略等，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一系列具有高導(dǎo)電性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性的導(dǎo)電水凝膠材料（Journal of Materials Chemistry C, 2021, 9, 10127-10137; Journal of Materials Chemistry C, 2022,10, 11914-11923; Journal of Materials Chemistry C, 2022,10, 8266-8277 ）等； （2）通過(guò)化學(xué)接枝、表面改性，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一系列具有高輸出性能及高穩(wěn)定性的自供電柔性傳感器（ACS Applied Materials & Interfaces  2021, 13, 14, 16916-16927；Journal of Materials Chemistry C, 2020,8, 5752-5760； ACS Applied Materials & Interfaces，2020, 12, 20, 23474-23483）。


  但是，傳統(tǒng)的導(dǎo)電水凝膠因分子內(nèi)摩擦，通常會(huì)呈現(xiàn)顯著的滯后。這一缺陷嚴(yán)重限制了導(dǎo)電水凝膠在柔性傳感器中的應(yīng)用。與此同時(shí)，水凝膠的高滯后性往往會(huì)對(duì)其傳感性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，例如在應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)變與相對(duì)電阻變化率（ΔR/R0）的非線性，基線漂移等現(xiàn)象，這些負(fù)面因素會(huì)對(duì)智能可穿戴設(shè)備的集成設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的影響。 




  為了解決上述問(wèn)題，湖南工業(yè)大學(xué)經(jīng)鑫教授課題組以丙烯酰胺為原料，通過(guò)引入溶脹效應(yīng)和橋接效應(yīng)，成功制備了一種具有超低滯后的多功能聚丙烯酰胺/laponite/硼酸/乙二醇有機(jī)凝膠（PLBOH）（圖1）。laponite作為物理交聯(lián)劑可以增強(qiáng)水凝膠的力學(xué)性能。溶脹效應(yīng)一方面可以減少聚合物分子鏈之間的臨時(shí)纏結(jié)，有利于降低能量耗散；另一方面，乙二醇的潤(rùn)滑作用可以有效降低分子內(nèi)摩擦，減少能量耗散，提升材料的抗滯后性能。與此同時(shí)，硼酸既可以通過(guò)B-N配位鍵與聚合物分子鏈相連接，又可以通過(guò)硼酸酯鍵的方式與乙二醇相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物分子鏈的鍵接，以達(dá)到延長(zhǎng)聚合物分子鏈長(zhǎng)度的效果，有利于張力的快速傳遞。 


圖1 有機(jī)凝膠的制備及結(jié)構(gòu)示意圖


  在450 s的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，100%應(yīng)變下的PLBOH有機(jī)凝膠的應(yīng)力松弛僅下降了約8%，其對(duì)應(yīng)的滯后為1.38%，展示出了優(yōu)異的低滯后性能。另外，在不同拉伸應(yīng)變和拉伸速率條件下對(duì)有機(jī)凝膠進(jìn)行了滯后性能測(cè)試，PLBOH有機(jī)凝膠在不同測(cè)試條件下均表現(xiàn)出較低的滯后性能與較低的能量耗散，另外在500次循環(huán)之后其滯后仍能保持較低水平（<3.6%）（圖2）。該研究表明溶脹和乙二醇的潤(rùn)滑作用可以有效降低有機(jī)凝膠的滯后性能。 


圖2 有機(jī)凝膠的滯后性能測(cè)試


  PLBOH有機(jī)凝膠在拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)變與相對(duì)電阻變化率（ΔR/R0）具有較高的線性度（R2=0.996，0-750%），較高的靈敏度（GF=2.68），ΔR/R0、應(yīng)變和應(yīng)力三者的響應(yīng)一致性以及快速的響應(yīng)時(shí)間（~10 ms）。并且在長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試中沒(méi)有產(chǎn)生基線漂移的現(xiàn)象（圖3）。 


圖3 有機(jī)凝膠的傳感性能測(cè)試


  PLBOH有機(jī)凝膠作為應(yīng)變傳感器可以有效監(jiān)測(cè)人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，并且將其組裝為摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小型電子設(shè)備的供電，為自供電智能可穿戴設(shè)備的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供了一種全新的思路（圖4）。 


圖4 有機(jī)凝膠作為應(yīng)變傳感器以及在自供電設(shè)備中的應(yīng)用


  該工作以“Multifunctional Organohydrogel with Ultralow-Hysteresis, Ultrafast-Response, and Whole-Strain-Range Linearity for Self-Powered Sensors”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上（DOI：10.1002/adfm.202213895）。文章第一作者為2021級(jí)碩士研究生鄒健，通訊作者為經(jīng)鑫教授，該研究得到了湖南省自然科學(xué)基金、湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目的支持。


  全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202213895

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（責(zé)任編輯：xu）
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