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《CEJ》：面向多感官应用的环境适应性和耐用水凝胶
Title: Environmentally Adaptive and Durable Hydrogels toward Multi-Sensory Ap‐ plication
Authors: Youyou Chen, Chen Zhang,* Rui Yin, Ao Yin, Qiang Feng, Feihua Liu, Jian Shao, Tong Su, Haoran Wang, Guoqing Chen,* Weiwei Zhao*
Chemical Engineering Journal ( IF 16.744 )
Pub Date: 2022-07-04 ,
DOI: 10.1016/j.cej.2022.137907
摘要
离子导电水凝胶因其集成的导电性和机械柔韧性而成为应用于柔性电子产品的新兴材料。然而，在恶劣环境中开发具有理想导电性和机械性能的离子水凝胶仍然存在艰巨的挑战。
哈尔滨工业大学 – 陈国庆 与 哈尔滨工业大学（深圳） – 张晨，赵维巍 （通讯作者）团队 在无机纳米粘土和 LiCl 存在下，通过多两性离子的原位聚合合成了一系列环境适应性多功能水凝胶 。它们的内在和协同特性使水凝胶具有出色的环境适应性。它们不仅在大气条件下表现出优异的拉伸性（高达 2167% ）和相当大的导电性（ 17.1 mS cm-1 ），而且在极端环境（ -60-95 ℃或真空下）下也保持了强大的机电性能。此外，它们强大的粘附强度（在玻璃上高达 0.28 MPa ）、自愈能力（高达 90% 的恢复效率）、出色的可注射性和 3D 打印性使它们成为全温度可穿戴设备的有希望的候选者。组装的水凝胶传感器表现出卓越的多感官能力，包括应变（ 1-500% ）、压力（ 0.5-50 kPa ）、温度（ -20-95 ℃）和接近度（ 0-160 mm ）。它们还在 -40 至 80 ℃的弯曲测试中可靠地运行，并且在 10 000 次不间断循环（分别在 50% 应变和 20 kPa 压力下）表现出出色的耐用性。水凝胶的整体优点为用于医疗保健监测、人机界面和生物医学假肢的下一代柔性电子产品提供了新的见解。相关成果以“ Environmentally Adaptive and Durable Hydrogels toward Multi-Sensory Ap‐ plication ”为题发表在《 Chemical Engineering Journal 》上。
图文导读
图 1. PSCL 水凝胶 a) 合成、b) 性能和 c) 应用的示意图。
图 2. a) PSCL-0 (Ctrl) 和 PSCL-4 水凝胶分别在 20℃、95℃、真空干燥和 -60℃下储存 2 小时的拉伸性和电导率。 具有不同 LiCl 含量的 PSCL 水凝胶的评估：b) DSC 分析，c) TGA，d) 在95℃下，不同时期的重量损失，e) EIS 图，f) 离子电导率，g) 拉伸应力-应变曲线。
图 3. a) 粘附在玻璃、铜、滤纸、丁腈橡胶、铝和硅橡胶上的 PSCL-2 水凝胶的搭接剪切曲线。 b) 粘附在上述基材上的 PSCL-2 水凝胶的剪切强度。 c) 水凝胶和基材之间的粘合机制示意图。 d）原始水凝胶和愈合24小时后的应力-应变曲线。 e) PSCL-2 水凝胶在自愈过程中的电流变化。 F）两个新切割的水凝胶切片连接在一起并被镊子拉伸的光学图像。 g) 应变扫描测量时 PSCL-2 水凝胶的储能模量 (G’) 和损耗模量 (G”)。 h) 通过动态应变振幅循环试验研究 PSCL-2 水凝胶的自愈行为。 i) 说明 PSCL-2 水凝胶自愈机制的方案。
图 4. 基于水凝胶的应变传感器在 a) 小应变（1%、2%、3% 和 5%）、b) 大应变（100%、200%、300% 和 500%）下的相对电容变化。 c) 基于水凝胶的应变传感器在 10000 次 50% 应变循环下的长期稳定性，插图：初始和最后 10 次循环的放大曲线。 d) 小压力（0.5 kPa、1 kPa、2 kPa 和 4 kPa），e) 大压力（10 kPa、20 kPa、30 kPa 和 50 kPa）下水凝胶压力传感器的相对电容变化。 f）基于水凝胶的压力传感器在 20 kPa 压力下 10000 次循环的长期稳定性，插图：初始和最后 10 次循环的放大曲线。基于水凝胶的温度传感器的相对电流变化： g) 作为温度从 -20 到 0℃的函数，h) 在 -20 到 95℃的温度循环下，i) 在 25 到 45℃的温度循环下。
图 5. a) 显示接近感应机制的示意图。 b) 相对电容随手指接近距离的变化而变化。 c) 非接触式数字识别中的接近传感器示意图。采集到的数据经过k近邻（KNN）算法处理，实现上述数字的识别。 d) 手指书写的不同字符的电容响应。 e) 20次训练后每个数字的识别准确率。 f) PSCL-2水凝胶与之前报道的导电水凝胶在工作温度上限、抗冻性、自粘性、自愈性和感觉性能方面的比较。
小结
综上所述，受稀溶液依数性的启发，本文开发了一系列具有优异环境适应性的 PSCL 水凝胶，使 PSCL 水凝胶在极端环境（ -60-95 ℃或真空下）下保持强大的拉伸性和导电性。水凝胶中每个组分的内在和协同特性也使水凝胶具有优异的拉伸性、相当大的导电性、强大的粘附强度和自主自愈能力。这些非凡的特性使 PSCL 水凝胶有望成为具有卓越多感官能力的全温度可穿戴传感器应用的候选者，包括高度持久的接触应变、压力和温度感觉，以及高精度的非接触式接近感觉。我们相信这项工作为开发用于各种电子和保水应用的多功能水凝胶提供了新的见解。
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