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中北大學李潔教授-李迎春教授課題組 ACS AMI：引入PVDF-TrFE制備具有壓電-壓阻雙模態傳感特性的復合水凝膠

2022-10-08 來源：高分子科技

作為一種新型智能材料，導電水凝膠因其具有獨特的壓阻特性在可穿戴傳感領域備受關注。近年來，制備可拉伸、高靈敏的導電水凝膠已成為該領域的研究熱點。然而，導電水凝膠普遍存在對動態機械應變的傳感響應慢、頻響范圍窄等問題，已經成為制約其在可穿戴傳感應用領域發展的技術瓶頸。結合壓電材料在動態感知方面的優勢，采用壓電和壓阻功能集成的思路對水凝膠及其應變傳感器件進行結構設計，為提高其智能可穿戴應變傳感性能提供可能。

近期，中北大學材料科學與工程學院的李潔教授-李迎春教授課題組報道了一種采用一鍋熱成型法和溶劑交換法制備的具有壓電-壓阻雙模態傳感特性的復合水凝膠（圖1）。該復合水凝膠以交聯的生物質殼聚糖季銨鹽為骨架，聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸鹽)（PEDOT: PSS）為導電填料，聚(偏氟乙烯-co-三氟乙烯)（PVDF-TrFE）為壓電填料。制備的水凝膠基應變傳感器靈敏度高（GF：19.24），線性度較好（0.94），響應快速（響應時間：63.2ms），頻響范圍較寬（響應頻率：5-25Hz），同時具有良好的可拉伸性能（斷裂伸長率：293%）和循環穩定性（圖2）。

圖1 復合水凝膠的制備示意圖

圖2 復合水凝膠的特性 (a)復合水凝膠的應力-應變曲線；(b)復合水凝膠電阻隨應變變化曲線；(c)復合水凝膠與不添加壓電相的水凝膠電壓響應恢復曲線對比；(d)復合水凝膠響應頻率測試曲線。

利用壓電-壓阻一體化構建復合水凝膠的方式，能夠實現動、靜態應變響應，獲得靈敏且可靠的壓電信號以及壓阻信號輸出，有望解決多層復合結構存在的制備工藝復雜、層間匹配性不佳等問題。采用復合水凝膠制備的可穿戴應變傳感器展示了在人體運動以及細微活動監測方面的應用潛力（圖3）。有趣的是，復合水凝膠附著在指尖和指背形成傳感單元，能精準識別物體的輪廓（圖4）。復合水凝膠基陣列傳感器也能準確識別不同的按壓位置，未來可進一步應用于便攜式柔性鍵盤或可穿戴柔性輸入設備（圖5）。

圖3 復合水凝膠基可穿戴傳感器檢測人體運動和細微運動 (a)手肘彎曲不同角度下的電阻響應；(b)手腕彎曲不同角度下的電阻響應；(c)膝關節彎曲不同角度下的電阻響應；(d)手指在不同頻率和應力下觸球的電壓輸出(×10)；(e)握緊動作的電阻和電壓響應；(f)皺眉動作的電阻和電壓響應。

圖4 復合水凝膠基可穿戴傳感器對物體輪廓的精準識別 (a)利用復合水凝膠的壓阻性能獲得的抓握不同物體的波形信號；(b)復合水凝膠壓阻信號強度分布圖；(c)利用復合水凝膠的壓電性能獲得的抓握不同物體的波形信號；(d)復合水凝膠壓電信號強度分布圖。

圖5 復合水凝膠基可穿戴傳感器陣列用于數字識別 (a)復合水凝膠的DAQ數據采集實物照片；(b)復合水凝膠傳感器陣列照片；(c)通過按壓不同位置獲得的電壓信號曲線；(d)復合水凝膠壓電信號強度分布圖；(e)復合水凝膠基可穿戴傳感器陣列數據采集界面照片。

該研究工作的主要意義在于提供了一種用于可穿戴應變傳感器的壓電-壓阻雙模態復合水凝膠的構建方法。該復合水凝膠通過功能協同和優勢互補，利用壓電與壓阻兩種效應能夠對同一機械應變作出響應，可以更加準確測量機械應變的作用過程。然而，從傳感器的應用角度來看，能夠準確進行壓電與壓阻雙模態同時測量仍面臨挑戰，還需進一步探明該復合水凝膠的壓電與壓阻響應輸出規律，明確輸出響應范圍，并設計可靠的后處理電路同步獲取壓電與壓阻輸出信號。相關工作以“Enhancing Strain-sensing Properties of the Conductive Hydrogel by Introducing PVDF-TrFE”為題，在美國化學會（ACS）期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》發表（DOI: 10.1021/acsami.2c13074）。文章的第一作者為中北大學2020級碩士生胡智銳，通訊作者為中北大學李潔教授。該研究工作得到國家自然科學基金、山西省回國留學人員科研資助項目等經費的支持。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c13074

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（責任編輯：xu）

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