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南京林業(yè)大學(xué)陳楚楚 Carbohyd. Polym.：無(wú)引發(fā)劑超強(qiáng)木基水凝膠應(yīng)用于多功能傳感
2025-02-20  來(lái)源：高分子科技

  水凝膠因其優(yōu)異的可拉伸性在可穿戴電子、生物醫(yī)學(xué)傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，現(xiàn)有的水凝膠傳感基材往往存在機(jī)械性能不足、易損壞、環(huán)境適應(yīng)性差以及制備工藝繁瑣、不環(huán)保等問(wèn)題，限制了其在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用。 


  近期，南京林業(yè)大學(xué)陳楚楚課題組以輕木為原料，脫基質(zhì)處理后獲得木材纖維素骨架，通過(guò)紫外光（UV）引發(fā)接枝的聚合方式，在不使用任何化學(xué)引發(fā)劑的條件下，制備得到聚丙烯酰胺（PAM）/聚丙烯酸（PAA）木基復(fù)合凝膠，最大拉伸強(qiáng)度可達(dá)42.2 MPa，且兼具優(yōu)異的抗溶脹性能及紫外屏蔽功能。將該木基復(fù)合凝膠作為柔性基材組裝構(gòu)建傳感器件，可用于運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、熱電傳感、水下傳感及智能家居等領(lǐng)域（圖1）。


圖1.木基復(fù)合凝膠的制備


微觀形貌


  該研究利用化學(xué)法設(shè)計(jì)調(diào)控天然木材中的木質(zhì)素及半纖維素的含量，得到高度定向的木材纖維素骨架（圖2）。在不使用化學(xué)引發(fā)劑和交聯(lián)劑的情況下，通過(guò)紫外線照射制備得到PAM/PAA木基復(fù)合凝膠。隨后，引入Fe3+以進(jìn)一步增強(qiáng)其力學(xué)性能。


圖2. 木基復(fù)合凝膠的微觀結(jié)構(gòu)


力學(xué)性能


  紫外接枝聚合反應(yīng)后，PAM/PAA木基復(fù)合凝膠的軸向拉伸強(qiáng)度為12.28 MPa。隨后，將Fe3+引入上述體系，所得復(fù)合凝膠軸向拉伸強(qiáng)度增強(qiáng)至42.24 MPa，橫向強(qiáng)度為4.24 MPa。


圖3. 木基復(fù)合凝膠的力學(xué)性能


多功能傳感應(yīng)用


  引入Fe2+制備PAM/PAA30-Fe0.3(2)木基復(fù)合凝膠并進(jìn)一步將其組裝成熱電傳感器。其軸向和橫向電導(dǎo)率分別為5.76 S/m和3.73 S/m，塞貝克系數(shù)(S)為18 mV/K，最大功率密度(Pmax)約為0.0183 W/m2。由于熱擴(kuò)散效應(yīng)，熱電木基復(fù)合凝膠具有在溫度梯度下將低品質(zhì)熱能轉(zhuǎn)化為電能的潛力，在不同溫度下的彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)可以輸出穩(wěn)定的I/I0信號(hào)，預(yù)期可應(yīng)用于可穿戴設(shè)備。


圖4. 木基復(fù)合凝膠的熱電傳感


  PAM/PAA30-Fe0.3木基復(fù)合凝膠在24小時(shí)內(nèi)的溶脹率低于5%，故將其組裝成傳感器置于不同的水環(huán)境（去離子水、河水、海水等）中。在進(jìn)出水體及外力按壓等過(guò)程中，復(fù)合凝膠傳感器均表現(xiàn)出穩(wěn)定的相對(duì)電流響應(yīng)。


圖5. 木基復(fù)合凝膠的水下傳感


  進(jìn)一步探索其在智能家居中應(yīng)用的可能性，PAM/PAA30-Fe0.3木基復(fù)合凝膠具備優(yōu)異的紫外屏蔽性能，可屏蔽100% UVB和85.32% UVA。并在不同光強(qiáng)、溫度、壓力等場(chǎng)景下，均表現(xiàn)出穩(wěn)定的相對(duì)電流響應(yīng)，預(yù)期可用于“智能家居”系統(tǒng)中的多功能傳感，促進(jìn)家居生活智能化。


圖6. 木基復(fù)合凝膠在智能家居中的傳感應(yīng)用


  該工作以題為“Initiatorless polymerization of mechanically robust hydrogels reinforced by cellulose of wood skeleton as multifunctional sensors”的論文發(fā)表在期刊《Carbohydrate Polymers》。論文通訊作者為南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陳楚楚副教授，該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等的資助。


  原文鏈接：

  Luzhen Wang, Jing Wei, Muqiu You, Yongcan Jin, Dagang Li, Zhaoyang Xu, Aiping Yu, Junshuai Li, Chuchu Chen, Initiatorless polymerization of mechanically robust hydrogels reinforced by cellulose of wood skeleton as multifunctional sensors, Carbohydrate Polymers, 354, 2025, 123345, DOI: 10.1016/j.carbpol.2025.123345

  https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123345

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