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《Mater. Adv.》湖南工大龚亮/汤建新:高韧/抗冻/抗疲劳全物理交联双网络有机水凝胶,用于应变传感器

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高分子材料科学 2021-09-20 18:58

由于具有优异的拉伸性和应变响应能力,基于导电水凝胶的柔性传感器在智能可穿戴电子领域受到广泛关注。然而,缺乏恶劣的环境耐受性和自恢复特性严重限制了它们的实际应用。因此,迫切需要开发具有抗冻和保水能力的抗疲劳水凝胶。最近,湖南工业大学科研 团队基于氢键交联策略使用面部凝胶构建了一种完全物理交联的明胶 /聚(N-羟乙基丙烯酰胺)/甘油/氯化锂双网络(明胶/pHEAA/Gly/LiCl DN)有机水凝胶 一 锅法。

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DN 有机水凝胶中的动态氢键提供了有效的能量耗散途径,产生了具有高拉伸强度/应变(2.14 MPa/1637.49%)、快速自恢复特性和强界面韧性的凝胶。水和甘油二元溶剂的引入使DN有机水凝胶具有优异的防冻和保水性能。此外,基于有机水凝胶制造了一个简单的柔性传感器,用于检测人体运动。该传感器不仅表现出卓越的灵敏度 (GF = 14.54)、宽应变范围 (0–1600%) 和高响应速度 (0.2 s),而且在不同机械变形和低温 (-20 °C) 下也能提供准确可靠的信号。)。这项工作为构建具有抗冻和保水能力的高机械和传感性能有机水凝胶传感器提供了一种可行的方法,极大地促进了柔性传感器在智能可穿戴电子设备、电子皮肤和 人机接口。

图 1 明胶/pHEAA/Gly/LiCl DN 有机水凝胶的合成示意图。

图 2 DN 有机水凝胶可以 (a) 通过注入模具来适应不同的形状,(b) 承受交叉拉伸,(c) 举起 500 g 的重量和 (d) 承受打结和拉伸至其原始长度的 12 倍 -10℃。

图 6 (a) g 10 H 50 水凝胶和 g 10 H 50 G 1:1 -L 5 有机水凝胶在 -40 °C 下的扭曲和拉伸。(b) 有机水凝胶在 -10 °C、-20 °C、-30 °C 和 -40 °C 下的拉伸应力-应变曲线。(c)不同水甘油比的凝胶在 25°C 和 40%RH 长期储存下的重量变化。(d)不同水/甘油比的明胶/pHEAA/Gly/LiCl 凝胶在 30°C 至 220°C 下的 DSC 曲线。

图 7 (a) 使用明胶/pHEAA/Gly/LiCl DN 有机水凝胶作为导体,具有 9 V 恒定电压和 LED 的电路示意图。有机水凝胶在 (b) 弯曲、(c) 原始长度和 (d) 拉伸状态下的 LED 照明条件。(e) 断开的有机水凝胶可以在没有外部刺激的情况下通过自我修复重新点亮 LED。

图 10 基于明胶/pHEAA/Gly/LiCl DN 有机水凝胶的应变传感器用于监测(a)肘部、(b)腕部、(c)膝部和(d)手指的运动。(e) 说“你好吗”和 (f) 皱眉时相对阻力的变化。

图 11 (a) 明胶/pHEAA/Gly/LiCl 有机水凝胶在室温、-20 °C 和-80 °C 下的 LED 照明条件。(b) 明胶/pHEAA/Gly/LiCl DN 有机水凝胶应变传感器相对电阻的变化用于监测 (b) 肘、(c) 腕、(d) 膝和 (e) 手指的运动 -20℃。

相关论文以题为 High toughness fully physical cross-linked double network organohydrogels for strain sensors with anti-freezing and anti-fatigue properties 发表在 《 Materials Advances 》 上。 共同通讯作者 分别是 湖南工业大学 龚亮博士 、 汤建新教授 。

参考文献 :

doi.org/10.1039/D1MA00618E

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