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湖南工業(yè)大學經(jīng)鑫教授課題組 AFM：具有超低滯后、超快響應及高線性的多功能有機凝膠
2023-02-12  來源：高分子科技

  柔性傳感器作為智能可穿戴設備的核心部件，在拉伸、彎曲、折疊等復雜狀態(tài)下仍能正常工作，被廣泛應用于電子皮膚、健康監(jiān)測和人機交互等方面。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，被認為是設計開發(fā)智能可穿戴設備的理想選擇之一。湖南工業(yè)大學經(jīng)鑫研究團隊近年來致力于設計開發(fā)具有高穩(wěn)定的導電水凝膠材料：（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，設計開發(fā)了一系列具有高導電性及長期穩(wěn)定性的導電水凝膠材料（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）通過化學接枝、表面改性，設計開發(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)的導電水凝膠因分子內(nèi)摩擦，通常會呈現(xiàn)顯著的滯后。這一缺陷嚴重限制了導電水凝膠在柔性傳感器中的應用。與此同時，水凝膠的高滯后性往往會對其傳感性能產(chǎn)生一定的負面影響，例如在應變范圍內(nèi)應變與相對電阻變化率（ΔR/R0）的非線性，基線漂移等現(xiàn)象，這些負面因素會對智能可穿戴設備的集成設計產(chǎn)生一定的影響。 




  為了解決上述問題，湖南工業(yè)大學經(jīng)鑫教授課題組以丙烯酰胺為原料，通過引入溶脹效應和橋接效應，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/乙二醇有機凝膠（PLBOH）（圖1）。laponite作為物理交聯(lián)劑可以增強水凝膠的力學性能。溶脹效應一方面可以減少聚合物分子鏈之間的臨時纏結，有利于降低能量耗散；另一方面，乙二醇的潤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，硼酸既可以通過B-N配位鍵與聚合物分子鏈相連接，又可以通過硼酸酯鍵的方式與乙二醇相連，實現(xiàn)對聚合物分子鏈的鍵接，以達到延長聚合物分子鏈長度的效果，有利于張力的快速傳遞。 


圖1 有機凝膠的制備及結構示意圖


  在450 s的觀測時間內(nèi)，100%應變下的PLBOH有機凝膠的應力松弛僅下降了約8%，其對應的滯后為1.38%，展示出了優(yōu)異的低滯后性能。另外，在不同拉伸應變和拉伸速率條件下對有機凝膠進行了滯后性能測試，PLBOH有機凝膠在不同測試條件下均表現(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滑作用可以有效降低有機凝膠的滯后性能。 


圖2 有機凝膠的滯后性能測試


  PLBOH有機凝膠在拉伸應變范圍內(nèi)應變與相對電阻變化率（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、應變和應力三者的響應一致性以及快速的響應時間（~10 ms）。并且在長期穩(wěn)定性測試中沒有產(chǎn)生基線漂移的現(xiàn)象（圖3）。 


圖3 有機凝膠的傳感性能測試


  PLBOH有機凝膠作為應變傳感器可以有效監(jiān)測人體關節(jié)的運動，并且將其組裝為摩擦納米發(fā)電機（TENG）時可以實現(xiàn)對小型電子設備的供電，為自供電智能可穿戴設備的開發(fā)與應用提供了一種全新的思路（圖4）。 


圖4 有機凝膠作為應變傳感器以及在自供電設備中的應用


  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基金、湖南省教育廳科學研究項目的支持。


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

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（責任編輯：xu）
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