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南京林業大學陳楚楚 Carbohyd. Polym.：無引發劑超強木基水凝膠應用于多功能傳感

2025-02-20 來源：高分子科技

水凝膠因其優異的可拉伸性在可穿戴電子、生物醫學傳感器等領域展現出巨大的應用潛力。然而，現有的水凝膠傳感基材往往存在機械性能不足、易損壞、環境適應性差以及制備工藝繁瑣、不環保等問題，限制了其在復雜環境中的應用。

近期，南京林業大學陳楚楚課題組以輕木為原料，脫基質處理后獲得木材纖維素骨架，通過紫外光（UV）引發接枝的聚合方式，在不使用任何化學引發劑的條件下，制備得到聚丙烯酰胺（PAM）/聚丙烯酸（PAA）木基復合凝膠，最大拉伸強度可達42.2 MPa，且兼具優異的抗溶脹性能及紫外屏蔽功能。將該木基復合凝膠作為柔性基材組裝構建傳感器件，可用于運動監測、熱電傳感、水下傳感及智能家居等領域（圖1）。

圖1.木基復合凝膠的制備

微觀形貌

該研究利用化學法設計調控天然木材中的木質素及半纖維素的含量，得到高度定向的木材纖維素骨架（圖2）。在不使用化學引發劑和交聯劑的情況下，通過紫外線照射制備得到PAM/PAA木基復合凝膠。隨后，引入Fe³⁺以進一步增強其力學性能。

圖2. 木基復合凝膠的微觀結構

力學性能

紫外接枝聚合反應后，PAM/PAA木基復合凝膠的軸向拉伸強度為12.28 MPa。隨后，將Fe³⁺引入上述體系，所得復合凝膠軸向拉伸強度增強至42.24 MPa，橫向強度為4.24 MPa。

圖3. 木基復合凝膠的力學性能

多功能傳感應用

引入Fe²⁺制備PAM/PAA₃₀-Fe_0.3(2)木基復合凝膠并進一步將其組裝成熱電傳感器。其軸向和橫向電導率分別為5.76 S/m和3.73 S/m，塞貝克系數(S)為18 mV/K，最大功率密度(Pmax)約為0.0183 W/m2。由于熱擴散效應，熱電木基復合凝膠具有在溫度梯度下將低品質熱能轉化為電能的潛力，在不同溫度下的彎曲運動時可以輸出穩定的I/I₀信號，預期可應用于可穿戴設備。

圖4. 木基復合凝膠的熱電傳感

PAM/PAA₃₀-Fe_0.3木基復合凝膠在24小時內的溶脹率低于5%，故將其組裝成傳感器置于不同的水環境（去離子水、河水、海水等）中。在進出水體及外力按壓等過程中，復合凝膠傳感器均表現出穩定的相對電流響應。

圖5. 木基復合凝膠的水下傳感

進一步探索其在智能家居中應用的可能性，PAM/PAA₃₀-Fe_0.3木基復合凝膠具備優異的紫外屏蔽性能，可屏蔽100% UVB和85.32% UVA。并在不同光強、溫度、壓力等場景下，均表現出穩定的相對電流響應，預期可用于“智能家居”系統中的多功能傳感，促進家居生活智能化。

圖6. 木基復合凝膠在智能家居中的傳感應用

該工作以題為“Initiatorless polymerization of mechanically robust hydrogels reinforced by cellulose of wood skeleton as multifunctional sensors”的論文發表在期刊《Carbohydrate Polymers》。論文通訊作者為南京林業大學材料科學與工程學院陳楚楚副教授，該研究受到國家自然科學基金面上項目等的資助。

原文鏈接：

Luzhen Wang, Jing Wei, Muqiu You, Yongcan Jin, Dagang Li, Zhaoyang Xu, Aiping Yu, Junshuai Li, Chuchu Chen, Initiatorless polymerization of mechanically robust hydrogels reinforced by cellulose of wood skeleton as multifunctional sensors, Carbohydrate Polymers, 354, 2025, 123345, DOI: 10.1016/j.carbpol.2025.123345

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123345

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（責任編輯：xu）

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