福建农林黄六莲教授等IJBM：非对称粘附木质素增强应变传感及湿气发电用抗干扰性水凝胶的设计

人体皮肤具有多种功能，包括作为外界环境变化的屏障，以及可以感知各种环境刺激的传感器，如压力、温度或湿度，甚至疼痛。皮肤的传感特性是由于其高度可伸缩的聚合物网络(弹性纤维和胶原蛋白)和高度敏感的神经元网络。基于这些人类皮肤的优良特性，可穿戴传感器受到了广泛的关注。水凝胶是一种由大分子和水交联而成的软质材料，具有高柔韧性、高弹性和导电性等特点，被认为是可穿戴电子设备的优良材料。柔性水凝胶非常适合作为可穿戴电子传感器等应用，自粘性是可穿戴传感器的一个重要特性，但一般的各向同性黏附水凝胶存在抗干扰性差的缺点，影响了其应用。

本文中，作者采用简单的两步法制备了不对称粘接韧性木质素增强水凝胶:1)首次制备了以木质素为粘结剂和导电填料的PAA水凝胶; 2)将木质素增强水凝胶的上部简单浸泡在CaCl2溶液中，使其具有不对称粘附性能。将制备的非对称黏附木质素增强水凝胶组装成可穿戴式传感器，具有良好的抗干扰性和准确稳定的传感信号采集，其测量因子(GF)为2.51(应变范围为0-51.5%)。此外，韧性强的水凝胶能够在潮湿空气通过时发电，表现出良好的能量转换能力，开路电压高达306.6 mV。这些结果为聚电解质水凝胶材料在湿电转换和可穿戴电子传感器领域的应用提供了新的前景。

【主图导读】

图1 a.木质素增强水凝胶的制备工艺及其共价交联和非共价网络结构示意图。b.非对称粘附性水凝胶与人体皮肤粘附示意图(经过Ca²⁺处理的水凝胶上表面无粘附性，具有抗干扰能力，与皮肤接触的水凝胶下表面有粘附性)和水凝胶型汗液感应发电机示意图。

图2 木质素增强水凝胶的力学性能。a.水凝胶中不同LS含量的拉伸应变-应力曲线。b.不同LS含量的韧性。c.韧性水凝胶拉伸示意图。d.不同LS含量的韧性水凝胶的压缩应变-应力曲线。e.水凝胶在经历70%的大压缩变形后快速恢复。f.水凝胶在70%应变下压缩10次后的恢复曲线。

图3 a.猪皮上的水凝胶(不同LS含量)剥离试验。b.水凝胶(不同LS含量)对猪皮的粘附强度。c.水凝胶与木材、玻璃、塑料、不锈钢汤匙粘附示意图。

图4 a.湿致电产生过程的水凝胶原理图和机理。b.韧性水凝胶在连续的水分流动下产生的电压电位输出。c.输出电压的水凝胶型湿空气感应发电机与最近报道的比较。d.水凝胶型汗液感应发电机。

图5 a.记录在原始表面(粘性表面)上的压力应变信号，b.记录在Ca²⁺处理表面(非粘性表面)上的压力应变信号。c.不对称胶粘剂水凝胶原始表面和Ca²⁺处理表面示意图(此处以丁腈手套和塑料板为例)。d.不对称粘接木质素增强水凝胶上下表面对猪皮的粘接强度。

图6 a.不对称胶粘剂水凝胶经过Ca²⁺处理后表面可能发生的化学和物理变化。b.不对称胶粘剂水凝胶原始表面和Ca²⁺处理表面的红外光谱。c.不对称胶粘剂水凝胶原始表面和Ca²⁺处理表面的XPS光谱。d.不对称胶粘剂水凝胶的扫描电子显微镜和钙离子处理表面的元素(Ca)映射。

图7 a.不对称胶粘剂水凝胶基内底的Ca²⁺处理表面示意图。b.它记录的信号。c.原始粘性面水凝胶和非对称粘性面水凝胶点击手机示意图。d.棉丝、灰尘、纸张与原表面(粘接剂)、Ca²⁺处理表面(非粘接剂)的不对称粘接剂水凝胶的粘附示意图。

【结论】

综上所述，其采用两步法合成了非对称粘接和韧性木质素增强PAA水凝胶:1)在木质素磺酸盐和海藻酸盐存在下，原位自由基诱导聚合形成坚韧的PAA水凝胶，2)钙离子浸泡水凝胶的顶部部分，使其形成不对称-粘附水凝胶(无粘附顶面和粘附底面)。羧基、酚羟基和磺酸基被Ca²⁺螯合/络合，有效地封闭这些亲水性基团，负责非粘附性。无粘性本质上防止污染物，如灰尘和其他污染物附着在水凝胶表面，赋予水凝胶抗干扰性能。该应变传感器装配到可穿戴式传感装置中，信号准确稳定，具有抗干扰特性，在拉伸应变范围0 ~ 51.5%范围内，GF高达2.51。此外，由于存在丰富的磺酸、酚羟基、羧基等亲水基团，水凝胶基湿式气致发电机具有良好的电收集能力，开路电压高达306.6 mV。这项工作提供了一种制备非对称粘附韧性水凝胶的简单策略，在不同的领域有潜在的应用，如可穿戴传感器，湿空气诱导发电系统。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.12.157

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