华南理工大学陈港团队:MXene基抗冻超稳定导电有机水凝胶

导电水凝胶作为生物电子材料在人机交互技术领域有着广阔的应用前景。但是,低温结冰和水分蒸发带来的性能下降是限制其应用的瓶颈。为解决这一问题,华南理工大学陈港团队制备了基于MXene的导电有机水凝胶,该凝胶在-36-60℃的温度范围内都能保持极好的柔性和极高的电导率,同时具有良好的环境稳定性(超过7天),最高能够承受1500%的应变,并且应变灵敏度达到8.1。该研究以题为“MXene-Based Conductive Organohydrogels with Long-Term Environmental Stability and Multifunctionality”发表在《Advanced Functional Materials》上,况宇迪博士后陈港教授为该论文的共同通讯作者。

华南理工大学陈港团队《AFM》:MXene基抗冻超稳定导电有机水凝胶

【有机水凝胶的制备以及形貌】

作者利用甘油作为抗冻剂,纤维素作为力学支撑骨架,聚丙烯酰胺作为弹性骨架,MXene作为导电骨架,利用简便的紫外光固化,制备了如图所示的导电有机水凝胶(PTCM-Gly)。该有机水凝胶是由内部相互贯穿并相互作用的多重网络组成的,因此展示出了极好的可拉伸性,电响应性以及环境稳定性。PTCM-Gly5与PTCM-Gly1相比具有更好的柔性,同时从微观形貌看出,PTCM-Gly5内部的孔洞更小,这也说明甘油起到了抑制冰晶生长的作用。

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图1 PTCM-Gly的制备过程以及机理图

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图2 纤维素,MXene以及PTCM-Gly的微观形貌

【PTCM-Gly的机械以及电学稳定性】

随后,作者表征了PTCM-Gly的抗冻性能以及循环稳定性。结果表明,随着甘油的加入,PTCM-Gly的抗冻性能逐渐提高,其中PTCM-Gly5在-36℃下仍然能够保持极好的可拉伸性。此外,PTCM-Gly5在环境中放置7天后,质量保持率能达到80%左右,同时最大应变能够保持在1000%以上,展示出了极好的环境稳定性。此外,经过不同应变的拉伸循环后,PTCM-Gly仍能保持较好的机械稳定性。

此外,作者还研究了PTCM-Gly5作为传感器件的灵敏度以及在不同温度下的电学稳定性。作为传感器件,PTCM-Gly5的应变灵敏度能够达到8.21。PTCM-Gly5还能够分辨出不同的拉伸速率(40-200 mm/min)。更重要的是,PTCM-Gly5不仅能够及时响应小应变(1-5%),还能及时的响应大的应变(20-320%),展示出极好的传感性能。此外,PTCM-Gly5在-36℃和60℃下,电导率分别为1.1 mS/cm和1.9 mS/cm,显示出了极好的温度稳定性。

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图3 PTCM-Gly的机械稳定性

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图4 PTCM-Gly的电学稳定性以及灵敏度

【PTCM-Gly5的自修复性以及自粘附性】

PTCM-Gly5除了具有极好的力学和电学稳定性之外,还具有极好的自粘附性,能够很好的粘附在皮肤、PTFE、木材、金属、塑料、玻璃和橡胶等材料表面,展示出良好的应用前景。其中,在木材表面的粘结强度达到了117 N/m。此外,PTCM-Gly5还具有极好的自修复性,在切成两半后,经过2s的接触就能恢复良好的导电性,同时最大应变能够达到接近1200%。

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图5 PTCM-Gly的自修复以及自粘附性

【PTCM-Gly5的实际应用】

作者随后研究了PTCM-Gly5的传感性能。结果表明,自修复后的PTCM-Gly5仍能够分辨出应变快慢的变化。同时,PTCM-Gly5器件能够监测跑步的速度、面部表情以及说话的词语等,在智能人机交互方向展示出了良好的应用潜力。

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图6 PTCM-Gly的应用展示

【总结】作者利用简便的方法制备了具有优异的拉伸性、极好的抗冻性、长时间环境稳定性、可逆粘附性以及高灵敏度的导电有机水凝胶材料。该材料同时具有良好的自修复性能,对大小应变都具有极高的灵敏度,为制备高性能水凝胶传感器用于人机交互领域提供的新的思路。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202005135

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