高拉伸、压缩性纤维素离子水凝胶应用于应变传感器

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天然高分子基水凝胶在电子器件领域受到了广泛的关注，但是基于纯天然高分子的水凝胶通常机械性能较差；另外水凝胶在零度以下不可避免地会冻结，大大限制了实际应用。可见，采用天然高分子来制备高拉伸、压缩和高强度的水凝胶仍然是一个巨大挑战。

为解决这一挑战，来自华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室的何明辉副研究员通过烯丙基纤维素在氢氧化钠/尿素水溶液中的自由基聚合，获得了高拉伸（~126%）和压缩性能（~80%）的纤维素离子水凝胶。制备的纤维素离子水凝胶还具有较高的透明性（透过率~89%在550 nm处），导电性（~0.16 mS cm^-1）和电信号稳定性。水凝胶中的离子还赋予其低温适应性，-20℃的工作环境下没有导致透明度的降低。该导电水凝胶可用于制备可靠的应变传感器，用于检测人体活动。本研究将有助于纤维素基离子水凝胶构建具有高机械强度、透明的柔性电子器件。

图1.纤维素离子水凝胶的合成示意图。

研究人员制备了不同取代度的烯丙基纤维素（烯丙基缩水甘油醚用量与纤维素上的脱水葡萄糖单元摩尔比5到9），并用其制备了不同种类的纤维素离子水凝胶（过硫酸铵用量分别为0.6 wt%、1.0 wt%、1.5 wt%、2.0 wt%、2.5 wt%、3.0 wt%），并对其进行了结构表征（图2）。

图2. A）纤维素和烯丙基纤维素的¹H-NMR谱图，烯丙基缩水甘油醚用量与纤维素上的脱水葡萄糖单元摩尔比5到9；B）烯丙基纤维素的取代度；纤维素、烯丙基纤维素、纤维素离子水凝胶（CIH8-1.0）的C）ATR- FTIR光谱和D）XRD图谱。

纤维素离子水凝胶的机械性能和导电性能具有可调性（图3和图4）。通过调节烯丙基缩水甘油醚和过硫酸铵的用量，制备得到的水凝胶在纤维素、几丁质、壳聚糖等纯天然高分子基水凝胶中具有最好的拉伸性能(拉伸应变可达126%)和压缩性能(压缩应变可达80%)。水凝胶中的离子还赋予其低温适应性，-20℃的工作环境下没有透明度的降低（图4D）。

图3.纤维素离子水凝胶的机械性能。A）不同含量过硫酸铵的纤维素离子水凝胶的压缩应力-应变曲线；B）含有不同用量的烯丙基缩水甘油醚的纤维素离子水凝胶的压缩应力-应变曲线；C）水凝胶在压缩模式下的模量及断裂功；D）不同含量过硫酸铵的纤维素离子水凝胶的拉伸应力-应变曲线；E）含有不同用量的烯丙基缩水甘油醚的纤维素离子水凝胶的拉伸应力-应变曲线；F）水凝胶在拉伸模式下的杨氏模量和断裂功；G）压缩和H）拉伸性能的比较。

图4.纤维素离子水凝胶的导电性能。A）电化学阻抗谱图；B)电化学阻抗高频区域；C）电导率；D）热稳定性。

具有良好拉伸性、压缩性、可靠性和稳定性的导电凝胶可作为穿戴式应变传感器用于监测人体活动（图5）。

图5.纤维素离子水凝胶应用于传感器的电信号。A）和B）电阻对施加拉伸应变和压缩应变的依赖性；C）循环1100次的电阻变化曲线；D）应变传感器在监测人体活动中的腕部弯曲响应。

以上相关成果发表在Biomacromolecules（2019，20，2096-2104），并入选为当期的封面论文。论文的第一作者为华南理工大学博士生仝瑞平，通讯作者为华南理工大学何明辉副研究员，华南理工大学陈广学教授给了很多建设性的指导。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.9b00322

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