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燕大焦體峰、秦志輝/UCLA賀曦敏 AFM：高延展性、低滯后、黏附性TA@MXene-復合有機水凝膠應用于高穩定柔性可穿戴傳感器
2024-03-28  來源：高分子科技

  隨著可穿戴傳感器的快速發展，對于集高拉伸性、回彈性、粘附性和長期環境穩定性于一體的多功能導電軟材料的需求越來越高。納米復合水凝膠，尤其是MXene復合水凝膠，由于其高拉伸性和靈敏性，是構建柔性可穿戴傳感器極具前景的材料。然而，由于MXene納米片的易氧化及MXene與聚合物網絡間的弱結合力，構建滿足上述所有要求的MXene復合凝膠，尤其是大拉伸應變下的低滯后仍然是一個挑戰。 


  基于此，燕山大學焦體峰教授課題組秦志輝副教授與UCLA賀曦敏教授合作報道了一種具有高拉伸、低滯后和環境穩定性等綜合性能的MXene復合有機水凝膠，同時具備自粘附性和生物相容性，并探究了其在應變傳感和溫度傳感方面的應用潛力。在該體系中，作者提出了一種界面工程策略，即引入具有高密度羥基的單寧酸（TA）將MXene封裝，形成穩定的TA@MXene納米基元，同時多羥基的存在增加了TA@MXene與聚合物網絡之相互作用，形成高密度氫鍵交聯結構。所制備的有機水凝膠表現出高拉伸性（＞500%）、低滯后性（＜3%）和優異的抗疲勞性。此外，由于甘油/水二元溶劑體系的存在，有機水凝膠表現出優異的抗凍性（?40 °C）和抗失水性能（> 7天），確保了其在長期使用和極端條件下的穩定性能。另一方面，由于鄰苯二酚基團的存在，有機水凝膠也具有高的粘附性。得益于這些優異的性能，基于有機水凝膠的傳感器表現出高應變靈敏度，在寬溫度下具有大的工作范圍，高可靠性和耐用性，以及高溫度敏感性。因此，所構建的柔性可穿戴傳感器用于準確檢測不同模式下的人體運動和具有高重復穩定性的心電圖信號以及體溫檢測能力。此外，本工作中構建的TA@MXene納米基元可以引入多種網絡結構中，制備高強度的MXene復合凝膠，成為智能傳感方面有前景的應用材料。


圖1 PHEA-TA@MXene有機水凝膠的制備和表征


 圖2 PHEA-TA@MXene有機水凝膠的力學性能探究


 圖3 PHEA-TA@MXene有機水凝膠的環境穩定性


圖4 PHEA-TA@MXene有機水凝膠的應變傳感性能及作為可穿戴傳感器的應用


圖5 PHEA-TA@MXene有機水凝膠的溫度傳感性能及應用


  總之，通過界面工程策略，該研究團隊發展了構建高拉伸高彈性MXene復合凝膠的新方法，這為未來構建高性能納米復合凝膠及其應用拓寬了方向。


  以上研究成果近期以“Highly Stretchable, Low-Hysteresis, and Adhesive TA@MXene-Composited Organohydrogels for Durable Wearable Sensors”為題發表在國際知名期刊《Advanced Functional Materials》（DOI：10.1002/adfm.202315813）。燕山大學環境與化學工程學院碩士生劉穎為文章第一作者，通訊作者為燕山大學焦體峰教授、秦志輝副教授及UCLA賀曦敏教授。此研究得到國家自然科學基金和河北省自然科學基金等資助支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202315813

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（責任編輯：xu）
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