高拉伸性纤维素基复合导电水凝胶应用于多项传感性能及纳米摩擦发电机

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柔性电子器件受到的关注日渐增长，并广泛应用于传感器、软体机器人、触摸屏、仿生皮肤以及能量采集器等诸多领域。近几十年来，研究者们通过将柔性基底材料与导电介质相结合，成功制备出一系列具有代表性的柔性电子器件。除了柔性和可拉伸性的基本要求，人们还在实际应用中对柔性电子器件提出了诸如抗膨胀性、透明性和耐久性等要求。然而，要在保证功能性的前提下兼顾上述性能并非易事。导电水凝胶作为一种新型的柔性材料，由于其出色的柔性、良好的导电性以及可调的力学性能而成为世界性的热门材料。再生能源和环境友好材料是21世纪科技发展的主题，纤维素作为含量最为丰富的天然高分子，被视为传统石油基材料的潜在替代资源，并被广泛用于各类领域。然而，由于纤维素分子链间的强相互作用和固有的链刚性，应用于柔性电子器件的高弹性纤维素水凝胶很少见诸报道。

在先前的研究基础上，武汉大学天然高分子实验室吕昂副教授团队通过将具有柔顺链的聚乙烯醇（PVA）引入纤维素导电水凝胶中，在提高纤维素导电水凝胶拉伸性（断裂伸长率达747 %）的同时，保持了水凝胶的离子导电性和高透明性（550 nm光波透过率超过80 %）

图1. （a）纤维素/PVA复合导电水凝胶的高透明性和（b）高拉伸性。

经过简单的组装，分别由纤维素/PVA复合导电水凝胶（CPH）制备得到温敏、压敏和拉伸传感器。CPH温敏传感器的电阻温度系数为-0.03 ℃⁻¹，其在0~64.0 ℃的温度范围内显示出了快速、可靠和可逆的电阻响应，并且无滞后现象。CPH压敏传感器的相对电容也随着压力的增减而同步变化到响应水平，且无任何滞后或衰减。CPH拉伸传感器的相对电阻随拉伸应变呈线性变化，应变灵敏度系数为1.04；在500 %的拉伸应变范围内表现出高度可靠性和电阻变化的可逆性；在检测不同关节屈伸时能同步示出相应的幅度变化并在动作结束后回到初始值，且无噪音信号、滞后现象或永久形变。

图2. 基于CPH的温敏、压敏和拉伸传感器性能。

此外，通过CPH组装得到的柔性纳米摩擦发电机（CPH-TENG）作为能量采集器件，可在不同的拉伸条件下和较宽温度范围内使用，并体现出易存储性和耐用性。CPH-TENG还可用作触觉传感器，其最低检出限不高于0.0147 kPa。本章工作拓展了纤维素基材料在柔性可穿戴电子器件领域的应用。

图3. （a）CPH-TENG工作时可令LED小灯泡闪亮，（b）CPH-TENG的输出信号对触碰压力具有敏感性，可用作微小压力探测器，（c和d）CPH-TENG在原长及不同拉伸倍率下的开路电压及回复性。

以上相关成果由在Journal of Materials Chemistry A接收（DOI: 10.1039/d0ta02010a）。论文的第一作者为武汉大学化学与分子科学学院博士生王洋，通讯作者为吕昂副教授。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta02010a#!divAbstract

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