隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和對(duì)人機(jī)界面需求的不斷提高，柔性離子導(dǎo)體以其高彈性、透明性、機(jī)械性能可調(diào)、導(dǎo)電相一致等特點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注。水凝膠由聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和超過90％的水組成，與電解質(zhì)鹽混合后可以用作理想的離子導(dǎo)體。然而通過簡單的方法制備高機(jī)械性能和高導(dǎo)電性兼得、耐凍性好的離子導(dǎo)電水凝膠仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。
亮點(diǎn)
近期，加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)Feng Jiang團(tuán)隊(duì)通過聚乙烯醇（PVA）和纖維素納米纖維（CNFs）在二甲基亞砜-水溶劑體系中的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變制備了一種新型的高彈性（高達(dá)660%）、高強(qiáng)度（高達(dá)2.1MPa）、堅(jiān)韌（5.25MJ m?3）和透明（高達(dá)90%）的離子導(dǎo)電（3.2M?1）有機(jī)水凝膠。相對(duì)于以往的發(fā)現(xiàn)，今天要介紹的這項(xiàng)研究，有哪些創(chuàng)新點(diǎn)呢？
簡言之，這種材料設(shè)計(jì)展示了CNFs在提高機(jī)械性能和離子導(dǎo)電性方面的協(xié)同作用，解決了離子導(dǎo)電水凝膠在強(qiáng)度、韌性和離子導(dǎo)電性之間長期存在的兩難局面。
同時(shí)這種新型有機(jī)水凝膠具有優(yōu)異的耐寒性，即使在-70℃也保持柔性和導(dǎo)電性（1.1 S m?1），對(duì)拉伸和壓縮變形都表現(xiàn)出高靈敏度，有望成為未來多功能傳感器的通用平臺(tái)。
PVA-CNF有機(jī)水凝膠的合成
將PVA和TEMPO氧化的CNF通過一鍋溶膠-凝膠合成方法制備了PVA-CNF有機(jī)水凝膠，由于高的機(jī)械性能和彈性，PVA被選為主要的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，剛性和帶負(fù)電荷的CNF被選作納米填料以增強(qiáng)機(jī)械性能和離子電導(dǎo)率。為在零下溫度下保持柔韌性和離子電導(dǎo)率，DMSO / H2O二元溶劑系統(tǒng)用于抑制水分子的凝固點(diǎn)并引入抗凍性。同時(shí)DMSO還可以促進(jìn)PVA的凝膠化，并顯著提高所得有機(jī)水凝膠的機(jī)械性能。
PVA-CNF有機(jī)水凝膠的機(jī)械性能
由于PVA彼此結(jié)合形成小晶體和無定形區(qū)域共存，以及CNF在聚合物基質(zhì)中的增強(qiáng)作用，PVA-CNF有機(jī)水凝膠顯示出優(yōu)異的柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度。如圖2所示，PVA-1％CNF有機(jī)水凝膠顯示出最高的韌性（5.25 MJm?3）、應(yīng)變（660％）值以及令人滿意的極限應(yīng)力（1.4 MPa），超過了已報(bào)道的大多數(shù)離子導(dǎo)電水凝膠。PVA-CNF有機(jī)水凝膠不僅具有可拉伸性，而且還具有出色的壓縮性能和可調(diào)節(jié)的壓縮應(yīng)力，PVA-1％CNF有機(jī)水凝膠經(jīng)過10次壓縮循環(huán)達(dá)到75％的應(yīng)變，仍可以恢復(fù)到原始形狀而最終應(yīng)力沒有明顯衰減。
PVA-CNF有機(jī)水凝膠的離子電導(dǎo)率
如圖3所示，通過電化學(xué)阻抗譜（EIS）表征了NaCl含量變化的有機(jī)水凝膠的離子電導(dǎo)率。隨著NaCl濃度增加，所有有機(jī)水凝膠的離子電導(dǎo)率增加約20倍。對(duì)于相同NaCl濃度的有機(jī)水凝膠來說，離子電導(dǎo)率隨CNF含量的增加而增加，這是由于將CNF引入PVA有機(jī)水凝膠形成了更多層次的多孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)CNF表面羧基吸引抗衡離子，為離子轉(zhuǎn)移提供更多的跳躍位置，從而使CNF在增強(qiáng)有機(jī)水凝膠的離子電導(dǎo)率方面起到促進(jìn)作用。
PVA-CNF有機(jī)水凝膠的耐凍性
實(shí)驗(yàn)觀察到即使在-70℃下，有機(jī)水凝膠仍保持透明和柔性，并且可以承受循環(huán)扭曲，彎曲和折疊，如圖4所示。這是由于DMSO分子可以與水以1：2的比例形成氫鍵，從而形成穩(wěn)定的六環(huán)構(gòu)型而抑制冰晶的形成。-70℃時(shí)，PVA-1％CNF有機(jī)水凝膠的離子電導(dǎo)率為1.1 S m-1。這顯著高于已報(bào)道過的抗凍有機(jī)水凝膠。值得注意的是，即使在-70℃的溫度下，LED仍可能發(fā)光，這種優(yōu)異的耐凍性和離子導(dǎo)電性為其在極端條件下的應(yīng)用提供了廣闊前景。
PVA-CNF有機(jī)水凝膠的傳感性能
由于PVA-CNF有機(jī)水凝膠的高彈性和應(yīng)變引起的電阻變化，它有可能被用作電阻型傳感器。如圖5所示，在25–150％應(yīng)變下，PVA-CNF有機(jī)水凝膠的電阻變化與拉伸應(yīng)變成比例，幾乎呈線性增加趨勢。該水凝膠在高達(dá)50％應(yīng)變的循環(huán)拉伸釋放測試下的穩(wěn)定性表明，應(yīng)變感測特性在超過500個(gè)循環(huán)中穩(wěn)定，電阻變化幾乎沒有衰減。
現(xiàn)實(shí)生活中的可穿戴傳感器演示
由于其優(yōu)越的機(jī)械性能、高離子電導(dǎo)率、出色的感測靈敏度和信號(hào)穩(wěn)定性，PVA-CNF有機(jī)水凝膠可以用作可穿戴傳感器。如圖6所示，基于有機(jī)水凝膠的壓力傳感器也可用于實(shí)時(shí)檢測復(fù)雜的人體運(yùn)動(dòng)，還可以用于檢測醫(yī)療保健應(yīng)用中的如手腕上的徑向脈沖等細(xì)微變化，同時(shí)還顯示出監(jiān)視復(fù)雜肌肉運(yùn)動(dòng)的能力。
結(jié)論
在本篇文章中，研究人員通過溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變方法制造的新型PVA-CNF離子導(dǎo)電有機(jī)水凝膠具有出色的機(jī)械性能、高電導(dǎo)率、高透明性和耐凍性。即使在-70℃時(shí)，有機(jī)水凝膠仍能保持柔韌性和導(dǎo)電性，這種材料設(shè)計(jì)驗(yàn)證了CNF在增強(qiáng)機(jī)械性能和離子電導(dǎo)率方面的協(xié)同作用，為解決離子導(dǎo)電水凝膠在強(qiáng)度、韌性和離子電導(dǎo)率方面長期存在的難題提供了解決方案。這種離子導(dǎo)電水凝膠在可穿戴電子設(shè)備等方面具有廣泛應(yīng)用。
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