不列颠哥伦比亚大学姜锋团队《Nano Energy》：纳米纤维素界面修饰液态金属制备高拉伸高灵敏瞬态凝胶传感器

点击上方“蓝字” 一键订阅

由于具备多功能的特性，利用导电水凝胶制备下一代可穿戴柔性电子器件吸引了人们的广泛关注。然而，制备具有全方面优异性能（包括机械耐久性、电信号灵敏度、环境稳定性、以及使用后可自行降解）的水凝胶仍然是一个巨大的挑战。

近日，不列颠哥伦比亚大学可再生功能材料实验室（UBC Sustainable Functional Biomaterials Lab）提出了一种利用纳米纤维素作为液态金属纳米颗粒界面修饰的新型策略， 从而制备出一种综合性能优异的可降解导电水凝胶。 该策略可以有效地解决传统硬质固体导电填料和柔性聚合物基体之间存在的界面不相容问题。 利用TEMPO氧化的纤维素纳米纤维（CNFs）作为界面稳定剂，可以方便地合成一种稳定的CNF封装的液态金属纳米颗粒（LMNPs）。该液态金属纳米颗粒可以引发丙烯酸（AA）单体的自由基聚合，形成完全物理交联的PAA-CNF-LMNPs水凝胶。相比于传统水凝胶比较单一的性能，该水凝胶综合了多方面的性能优势，包括无需添加化学引发剂和交联剂，超高的拉伸性，稳定的电导率，高应变感应灵敏度，稳定的信号传输，以及耐久性，自愈性，抗冻性和瞬态消失的特性。由于这些全方位的优越性能，该水凝胶可以作为一种可持续的、耐久的、高性能的平台材料来构建柔性可穿戴电子产品。该成果以‘Highly stretchable, durable, and transient conductive hydrogel for multi-functional sensor and signal transmission applications’在国际知名期刊《Nano Energy》上发表。不列颠哥伦比亚大学博士研究生Yuhang Ye为论文第一作者，Feng Jiang 教授为唯一通讯作者。  
图1 (a) CNF包覆的LMNPs PAA水凝胶的概念设计和制备过程示意图；(b) LMNPs在0.1wt% TO-CNFs中的胶体分散稳定性（（超声处理后立即和24小时后）；(c) TEM图像显示TO-CNFs层包裹在LMNPs上（超声处理40分钟）   
图2 (a) 数字图像显示PAA-CNF-LMNPs (4 wt%)水凝胶的抗拉伸、抗戳，以及抗压缩性能；(b) 拉伸应力-应变曲线; (c) 不同LMNPs含量的PAA-CNF-LMNPs水凝胶的应力和杨氏模量以及 (d) 应变和韧性值。(e) 不同导电水凝胶的应力和应变值的Ashby图，包括含有CNT的水凝胶，含有 MXene的水凝胶，和含有LMs的水凝胶；（f）不同LMNPs含量的PAA-CNF-LMNPs水凝胶的压缩应力-应变曲线。  
图3 PAA-CNF-LMNPs（4wt%）水凝胶的抗疲劳和抗裂特性。(a)加载-卸载拉伸应力-应变曲线和(b)不同应变下的相应耗散能量（不同样品）；(c)加载-卸载循环拉伸应力-应变曲线和(d)保持不同时间间隔后500%应变下的相应耗散能量；(e)加载-卸载循环拉伸应力-应变曲线和(f)500%应变下10循环的相应耗散能量。(g)显示拉伸的照片和(h)水凝胶的拉伸应力-应变曲线；(i)示意图显示传统水凝胶的裂纹水平传播（左）和PAA-CNF-LMNPs水凝胶由于物理连接的动态断裂而产生的抗裂性（右）。 
图4. PAA-CNF-LMNPs水凝胶在不同溶剂下的电导率。(a) 不同LMNP含量的PAA-CNF-LMNPs水凝胶的电导率，插图是相应水凝胶的EIS光谱。(b) 用乙二醇（EG）和二甲亚砜（DMSO）溶剂置换后的PAA-CNF-LMNPs（4wt%）水凝胶和有机水凝胶的电导率，插图是相应的有机/水凝胶的EIS光谱；(c) 数字图像显示含EG的有机水凝胶在-22℃的抗冻性。 
图5 (a) PAA-CNF-LMNPs (4 wt%)水凝胶的电学自愈行为；(b) 水凝胶自愈过程中的实时电阻(c)水凝胶自愈0.5、1和3小时的应力-应变曲线。  
图6 PAA-CNF-LMNPs（4wt%）水凝胶的传感敏感性。(a) 不同拉伸应变下水凝胶的相对电阻变化；(b)相对电阻随着拉伸应变的变化；(c) 水凝胶的拉伸灵敏系数随着应变的变化；(d) 不同导电水凝胶的应变和灵敏系数的Ashby图，包括含有CNT的水凝胶，含有MXene的水凝胶，和含有LMs的水凝胶。(e) 在100%的拉伸应变下，循环拉伸-释放测试下的相对电阻变化；(f) 在不同压力下水凝胶的相对电阻变化和压力敏感系数。  
图7 PAA-CNF-LMNPs（4wt%）水凝胶的实际应用。(a) 典型的基于水凝胶的传感器检测不同角度的手指弯曲；(b) 典型的基于水凝胶的传感器模仿手指识别不同材料的质地；(c) 使用PAA-CNF-LMNPs水凝胶作为可拉伸电缆的音频传输系统示意图；(d) 在水凝胶的原始和拉伸状态下收集的音频信号。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522004529?dgcid=author

https://authors.elsevier.com/a/1f51N7soS82Jen

点击下方“阅读原文”可在50天内免费下载该篇论文。

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多