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天工大范杰/張青松教授、江南大學萬愛蘭副教授 JCIS: 基于PNIPAAm的溫度響應離子導電水凝膠-用于柔性應變和溫度傳感
2024-10-10  來源:高分子科技

  柔性和可拉伸傳感器因其在可穿戴設備、人機界面、智能機器人、電子皮膚和實時醫療保健監測等領域的各種應用而引起了人們的極大興趣。為了進一步滿足智能傳感設備日益復雜性和多功能性的要求,人們在設計和生產高性能、多功能電子傳感材料方面做出了許多努力。其中,離子導電水凝膠具有良好的透明性、可調節的機械性能、更大的傳感范圍以及更直接的制造過程。此外,生物系統中的信號通常通過離子傳輸,這使得離子導電水凝膠具有與生物系統相似的靈活性。然而,由于水會在寒冷環境中結冰,傳統的離子導電水凝膠通常會失去其原有的性能,包括柔韌性、導電性和光學透明度,嚴重限制了它們在極端條件下的應用。此外,目前大多數離子導電水凝膠主要集中在應變傳感器的應用上,用于檢測人體運動,缺乏對溫度等刺激的響應性,這使得它們有時無法滿足實際應用的要求。例如,皮膚作為人體最大的器官,具有多種功能,如保護功能、感知功能、代謝功能和調節體溫的功能等。近年來,為了模擬人體皮膚的多功能感知功能,各種柔性和可拉伸傳感器被開發。在各種傳感功能中,溫度傳感對于實時獲取皮膚表面、周圍環境和植入區域的溫度以幫助人類和軟人工智能機器人調整后續計劃至關重要。因此,能夠同時監測人體運動和溫度變化的基于應變和溫度雙響應的柔性水凝膠傳感器的開發具有重要意義和使用價值。聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)是一種具有代表性的熱敏聚合物,由于其在溫度刺激下的快速相變和對溫度的可調響應而被廣泛用于溫度響應性水凝膠。為了滿足應用需求,天津工業大學范杰教授、張青松教授和江南大學萬愛蘭副教授合作制備了一種由離子液體調控的PNIPAAm基離子導電水凝膠,該水凝膠具有應變和溫度雙響應性,為柔性可穿戴傳感器在多功能應用方面提供了思路。



  在這項研究中,作者將NIPAAm與1-乙烯基-3-丁基咪唑溴化物(VBIMBr)相結合,通過光引發自由基聚合將聚(NIPAAm-co-VBIMBr)引入到聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮網絡中,形成了互穿網絡結構的應變和溫度雙響應的離子導電水凝膠(PPPNV)。通過共價交聯網絡、多重氫鍵相互作用和靜電相互作用的協同作用構成了PPPNV水凝膠的三維網絡結構。此外,經凍融循環后形成的PVA結晶域和水凝膠的互穿網絡結構為水凝膠奠定了良好的力學性能基礎。值得一提的是,PNIPAAm基水凝膠的體積相變溫度(VPTT)可以通過改變NIPAAm與VBIMBr的摩爾比而輕松調節。此外,VBIMBr的引入還為水凝膠提供了出色的導電性、防凍性和保水性。將PPPNV水凝膠組裝成應變傳感器,不僅具有高應變靈敏度和快速的響應,還能夠檢測大而細微的人體運動,并且具有良好的信號穩定性。同時,PPPNV水凝膠還可以用作具有高溫電阻系數(TCR = -1.41% °C-1)的溫度傳感器。文章最后,作者利用不同NIPAAm與VBIMBr摩爾比的預凝膠溶液制備了一種雙層溫敏水凝膠,該水凝膠在溫度執行器中顯示出巨大的應用前景。總之,這項研究通過功能性離子液體單體VBIMBr與溫敏性單體NIPAAm共聚,開發了一種離子導電水凝膠,闡明了PPPNV水凝膠的形成機理,實現了水凝膠對應變和溫度的雙響應,并揭示了PPPNV水凝膠在不同溫度下發生體積相變的機制。


圖1.  PPPNV 水凝膠的形成機制和表征。


圖2. PPPNV水凝膠的機械性能


圖3. PPPNV水凝膠的粘附性能


圖4. PPPNV水凝膠的抗凍和保水性能


圖5. PPPNV 水凝膠的導電性和應變傳感性能


圖6. 基于PPPNV水凝膠的應變傳感器的傳感行為


圖7. PPPNV水凝膠溫度傳感器的溫度傳感特性


圖8. PPPNV雙層水凝膠溫度致動器的驅動行為


  總之,這項工作展示了通過功能性離子液體VBIMBr調節PNIPAAm基水凝膠VPTT的可行策略,并顯示了PPPNV水凝膠作為柔性應變和溫度雙響應傳感器在可穿戴應變傳感器、溫度傳感器、軟機器人和智能執行器等方面的巨大應用潛力。


  相關研究成果以“PNIPAAm-based temperature responsive ionic conductive hydrogels for flexible strain and temperature sensing”為題發表在《Journal of Colloid and Interface Science》。文章第一作者為天津工業大學紡織科學與工程學院博士生雷通達,天津工業大學范杰教授、張青松教授和江南大學萬愛蘭副教授為通訊作者。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.09.131

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