面向柔性可穿戴传感器的高韧性双网络离子导电水凝胶
面向柔性可穿戴传感器的高韧性双网络离子导电水凝胶
柔性可穿戴传感器是新一代人机交互接口的重要组成部分，广泛应用于电子皮肤、柔性机器人和表皮传感器等领域。然而，传统的水凝胶材料在力学强度、应变范围和导电性能方面存在诸多限制，难以满足实际应用需求。为了解决这一问题，研究人员开发了一种基于聚乙烯醇/聚丙酰胺(PVA/PAM)双网络的离子导电水凝胶（PAN水凝胶），通过引入NaCl实现了优异的力学性能和电学性能的完美结合。
研究背景
柔性可穿戴器件作为新一代人机交互的接口为物联网领域提供了新的动力。随着人机界面技术的发展，柔性可穿戴设备被广泛应用于多模态电子皮肤、柔性机器人和表皮传感器等。其中，柔性传感器作为可穿戴设备核心的功能器件，实现了外界信号刺激转化为可视化电信号的功能。目前，水凝胶因具有良好的柔韧性、生物相容性和易加工等优点而成为制备柔性可穿戴器件理想的候选者。然而，大多数水凝胶材料面临着力学强度差、应变范围小和导电性能弱等困扰，限制了柔性可穿戴设备的实际应用。
为了解决水凝胶基柔性传感器机械性能与电气性能之间的矛盾，研究人员开发了多种柔性材料。通常在水凝胶基质中引入导电填料（例如：碳材料、导电聚合物、金属粉末和纳米颗粒等）能够实现一定范围内的力学或导电性的增强。然而，填料与水凝胶之间的相分离通常会导致拉伸性能、韧性和抗疲劳性能的恶化。
PAN水凝胶的制备与特性
研究团队以聚乙烯醇(PVA)、丙烯酰胺(AM)和氯化钠(NaCl)为主要原料，通过一锅法自由基聚合制备出兼具优异机械性能和电气性能的双网络PAN水凝胶。具体制备过程如下：
- 将1.5 g PVA溶于20 mL蒸馏水中，90℃搅拌。
- 加入0.25 g甘油(Gly)和一定比例的NaCl。
- 加入30 g AM、30 mg N, N -亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)和15 mg光引发剂2959。
- 将混合液倒入模具中，在紫外光(λ = 365 nm，50 mW·cm-2强度)下聚合1小时。
性能测试与分析
机械性能
PAN水凝胶表现出优异的力学性能：
- 拉伸强度：1.06 MPa
- 拉伸应变：1550%
- 压缩强度：2.79 MPa
- 韧性：6.63 MJ·m-3
通过X射线粉末衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析发现，NaCl的引入有效改变了PAN水凝胶的结晶度，形成了致密的三维网络结构，从而显著提升了其力学性能。
电学性能
PAN水凝胶具有较高的电导率（2.25 S·m-1），这主要归因于NaCl提供的导电路径。通过Bode图和Nyquist图测试进一步验证了其优异的电化学性能。
传感性能
PAN水凝胶传感器表现出优异的传感性能：
- 灵敏度：1.089
- 线性相关性：R2 = 0.988
- 响应时间：快速
- 稳定性：在100%应变下连续3000次循环后仍保持良好性能
应用前景
PAN水凝胶传感器能够精准检测人体运动信号，包括手指弯曲、手腕转动、肘部弯曲、膝关节运动等。此外，它还能监测细微的肌肉运动，如喉咙发声时的信号变化。这种高性能的水凝胶材料在柔性可穿戴设备、健康监测和人机交互等领域展现出广阔的应用前景。
总结
研究团队通过一锅法自由基聚合制备出兼具优异力学性能、低迟滞、抗疲劳性、导电性和传感性能的双网络PAN水凝胶。这种水凝胶不仅在力学性能和电学性能上表现出色，还能够精准识别不同应变大小和速率下的信号，为柔性可穿戴设备和人机交互技术的发展提供了新的材料选择。