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杭师大汤龙程、浙农林大厉世能《Nano Energy》:可用于宽温应变传感的高低温耐受、力学弹性、自粘附MXene基导电水凝胶,行业资讯在线,houshionline.com
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杭师大汤龙程、浙农林大厉世能《Nano Energy》:可用于宽温应变传感的高低温耐受、力学弹性、自粘附MXene基导电水凝胶
2021年10月08日    阅读量:742    新闻来源:行业资讯在线 houshionline.com  |  投稿

导电水凝胶具有优异的力学延展性和高导电性,在柔性可穿戴电子、仿生设备等领域已展现出巨大的潜在应用前景。不过,该类水凝胶材料用于应变传感仍需满足以下基本要求:(i)提供对应变变化的快速、可靠的实时信号响应(高稳定导电率),(ii)在各种条件下(例如,寒冷或炎热的环境下结冰或脱水现象)的可靠性,(iii)能够在外力变形期间保持材料的结构稳定性,即优异的力学性能,(iv)与不同基材具有很强的粘合性,无需额外的粘合剂。然而,目前导电水凝胶体系仍存在一些缺点,包括结构稳定性差(机械强度和柔韧性低)、含水量高(抗冻性和抗脱水性差)、与基材的自粘性弱,这些因素极大地限制了该类水凝胶材料在复杂环境条件下的潜在应变监测应用中国机械网okmao.com。因此,通过一种简单的策略,开发宽温适用、机械可靠、自粘性和导电水凝胶材料势在必行,但也极具有挑战性。


日前,杭州师范大学汤龙程研究员(通讯作者)联合浙江农林大学厉世能博士(第一作者和通讯作者)实现了在水-甘油混合溶剂体系中引人低含量Ti3C2Tx-MXene并结合“一锅法”自由基聚合反应快速(~10min)制备得到耐高低温、力学弹性、自粘附MXene/聚丙烯酰胺-co-丙烯酸/壳聚糖导电水凝胶(PACG-M)。研究发现:低含量(0.1–0.3 wt%)MXene可以显著促进聚合物分子的快速凝胶化(~10min)。含有0.2 wt%MXene的优化水凝胶不仅具有优异的机械性能(~1000%的断裂伸长率)和优异的导电性(~1.34 S/m),但也表现出稳定的耐温性−20至80◦C和与各种基材(如钢、玻璃、橡胶、塑料和皮肤)的自粘附性,以及快速自愈合特性(~1.3秒)。此外,这种MXene基水凝胶在不同的应变(1–600%)和应力(80–3200 Pa)范围内表现出良好电阻响应,对各种变形条件具有良好的适用性(拉伸/弯曲/压缩)和广泛的温度适应能力以及稳定的重复性。可见,该多功能MXene基纳米复合水凝胶为应变传感应用的发展具有重要的指导意义。该研究以题为“Environmentally stable, mechanically flexible, self-adhesive, and electrically conductive Ti3C2Tx MXene hydrogels for wide-temperature strain sensing”的论文发表在最新一期《Nano Energy》上。

【MXene诱导的PACG-M水凝胶快速制备】

这项工作中水凝胶材料的快速凝胶化的主要原因是:MXene极性基团与聚合物分子间会发生复杂物理/化学相互作用,产生大量热量从而诱导引发剂的分解产生自由基,最终实现自由基聚合反应。通过红外热成像技术,可以观测到室温下PACG-M体系热量的快速提升与扩散,进一步验证了上述结论。

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图1. PACG-M水凝胶的制备示意图及快速凝胶化过程

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图2. PACG-M水凝胶的宏观力学行为与微观结构

此外,MXene表面化学基团可以与体系各组分间形成多重相互作用:氢键、共价键、物理缠结等,因此能促进致密且稳固聚合物网络的形成。研究者利用FTIR、XPS、SEM等测试手段对体系内部结构与化学变化进行了表征,其结果很好地佐证了这一点。

【PACG-M水凝胶力学性能】

其次,研究者对纳米复合水凝胶的力学性能进行了定量表征和分析,结果显示:通过调节体系中各组分的比例可显著提升水凝胶力学性能且能实现参数间的均衡,这与体系内所构建的多重相互作用密不可分。优化的PACG-M水凝胶的拉伸强度、断裂伸长率和断裂功分别可达120.4 kPa、918%、和590.0 kJ·m-3。同时,该复合水凝胶还展现出优异的压缩性能,包括稳定的循环性能与自回复行为(45分钟内回复率为93.5%)。


【PACG-M水凝胶的自修复性和自粘性的研究】

除了出色的力学性能之外,PACG-M水凝胶还具有出众的自修复性,在无外加作用下切断后的水凝胶能在较短时间内(~1.32s)进行自修复行为,其导电率也能基本恢复至初始状态。在闭合回路中,切断后的水凝胶在重新接触后能迅速粘接在一起且能使熄灭的LED灯恢复工作。更重要的是,即使PACG-M水凝胶发生一定的拉伸形变,LED灯的亮度几乎没有发生变化,这表明了其出色的自修复性与导电稳定能。此外,PACG-M水凝胶与多种基材(如钢、玻璃、橡胶、塑料和皮肤)间均展现出良好的粘附性,且高低温处理后该性能依然能得以保持。


【PACG-M水凝胶的高低温耐受性能】

由于水-甘油双溶剂体系的运用,PACG-M水凝胶还被赋予了一定的耐温性能(即抗冻和耐高温性):在经历低温(-20℃)或高温(80℃)长时间(15天)处理后,该水凝胶依然能保持优异的力学柔韧性,克服了传统水凝胶的结冰和脱水现象,也为导电水凝胶在高低温复杂环境下的长期使用提供了性能基础。


【PACG-M水凝胶基应变传感器的应用】

基于上述优异的综合性能,PACG-M导电水凝胶有望用于应变传感探测。研究结果表明:该应变传感器不仅具有较宽的应变(1~600%)和应力(80~3200Pa)分辨范围,而且对复杂形变(如人体的肢体运动)也能作出良好的响应并保持稳定的循环性能;同时,该水凝胶在高低温环境中(-20~80℃)也能保持出色的监测性能。


总结:作者采用Ti3C2Tx-MXene作为自由基聚合诱导剂,通过“一锅法”自由基聚合反应实现了一种兼具力学、高低温耐受、自粘和导电的多功能MXene基纳米复合水凝胶的快速制备;同时,这种多功能水凝胶还展示出复杂环境下优异的应变探测响应,推动了导电水凝胶在新兴柔性电子领域中的潜在应用。


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