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天工大范杰/張青松/夏兆鵬 Mater. Horiz.：可用于冬季運(yùn)動(dòng)中的智能運(yùn)動(dòng)識(shí)別的耐寒、高拉伸性離子導(dǎo)電水凝膠
2024-03-22  來源：高分子科技

  隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于健康和運(yùn)動(dòng)的關(guān)注度越來越高，因此智能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備也越來越受歡迎。然而，現(xiàn)有的傳統(tǒng)傳感器存在一些問題，比如在寒冷的冬季運(yùn)動(dòng)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(shí)際應(yīng)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(duì)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(dǎo)電水凝膠，該水凝膠具有高強(qiáng)度、良好的導(dǎo)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(lián)的AAm和VBIMBr共聚物網(wǎng)絡(luò)，通過自由基聚合反應(yīng)構(gòu)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(jià)交聯(lián)、多重氫鍵相互作用和靜電相互作用，所得到的離子導(dǎo)電水凝膠表現(xiàn)出高拉伸強(qiáng)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(dǎo)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(dǎo)電性。值得注意的是，該水凝膠具有廣泛的應(yīng)變范圍（0-800%）、高應(yīng)變靈敏度（GF = 3.75）、快速響應(yīng)、長期穩(wěn)定性和極佳的耐久性，使其能夠檢測(cè)到大關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和微小肌肉運(yùn)動(dòng)。


圖1. PCPAV水凝膠的合成機(jī)理以及交聯(lián)相互作用。


  圖1展示了多功能離子導(dǎo)電水凝膠（PCPAV）的合成機(jī)理以及分子鏈之間的相互作用。通過共價(jià)相互作用、多重氫鍵相互作用以及靜電相互作用的協(xié)同作用構(gòu)成了PCPAV水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 


圖2. PCPAV水凝膠的機(jī)械性能、透明度和電導(dǎo)率


  如圖2所示，PC1PAV20水凝膠能夠拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、打結(jié)、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(qiáng)力（約360 kPa），并且具有約1100 kPa最大抗壓強(qiáng)度。水凝膠的透光率和電導(dǎo)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(xiàn)出較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)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(duì)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(qiáng)。PCPAV水凝膠的抗菌活性這可歸因于兩個(gè)方面，一方面，VBIMBr中咪唑陽離子的正電荷與細(xì)菌細(xì)胞膜中的磷酸基團(tuán)之間存在靜電相互作用，導(dǎo)致VBIMBr優(yōu)先吸附在細(xì)胞膜上。另一方面，VBIMBr末端烷基鏈會(huì)插入細(xì)胞膜的親脂區(qū)域，引起細(xì)胞膜穿孔，造成不可逆的物理損傷，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡，從而達(dá)到抗菌的目的。 


圖5. PCPAV水凝膠應(yīng)變傳感器的傳感性能


  為了表明PCPAV水凝膠作為應(yīng)變傳感器在柔性可穿戴電子產(chǎn)品中的潛力，對(duì)其進(jìn)行了傳感性能的研究。結(jié)果如圖5所示，水凝膠傳感器具有出色的傳感可靠性、穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間、信號(hào)同步性和耐用性。 


圖6. PCPAV水凝膠應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)大尺度關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)


圖7. PCPAV水凝膠應(yīng)變傳感器檢測(cè)微小肌肉運(yùn)動(dòng)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(cè)人體不同關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，并且在低溫下同樣能夠輸出穩(wěn)定的電信號(hào)（圖6）。此外，它還可以檢測(cè)聲帶振動(dòng)、面部表情等微小肌肉運(yùn)動(dòng)。特別是，可以檢測(cè)到脈搏的跳動(dòng)。此外，它還可以作為書寫板應(yīng)用于防偽和保密設(shè)備中，水凝膠還可以用作電子筆撥打電話，表明其在人機(jī)交互領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力（圖7）。


總結(jié)展望：

  在這項(xiàng)工作中，研究人員通過簡(jiǎn)單的自由基聚合和隨后的凍融循環(huán)兩步過程成功制備了一種多功能PCPAV離子導(dǎo)電水凝膠。該水凝膠具有改善的機(jī)械性能，這是通過精心設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和相互作用來實(shí)現(xiàn)的。由PVA 鏈、CMC 鏈和 PAV鏈形成的半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是改善水凝膠機(jī)械性能基礎(chǔ)。此外，多重交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，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(jī)械性能。此外，水凝膠中由氫鍵和靜電作用組成的物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)還賦予了水凝膠良好的自我恢復(fù)和抗疲勞性能。VBIMBr的引入是賦予PCPAV水凝膠多功能性的關(guān)鍵，包括出色的透明度（~92%）、高離子導(dǎo)電性（15.2 mS/cm），優(yōu)異的抗菌活性，并且在-20°C的溫度下仍能保持柔韌性和導(dǎo)電性。特別是，PCPAV水凝膠還表現(xiàn)出寬工作范圍（0-800%）、高應(yīng)變靈敏度（GF=3.75）、快速響應(yīng)、長期穩(wěn)定性和耐用性。PCPA水凝膠的上述優(yōu)異特性使其有望應(yīng)用于柔性水凝膠傳感器，用于健康監(jiān)測(cè)、人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、軟機(jī)器人、離子皮膚、人機(jī)界面和其他可穿戴電子設(shè)備。


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

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