天津大學張雷教授課題組CEJ:長效抗凍、保濕和自再生離子導電水凝膠
導電水凝膠兼具優異的導電性和機械柔性，是制備柔性電子（如電子皮膚、柔性傳感器、柔性電池等）的理想材料。但是，導電水凝膠中含有大量的水，在低溫下（<0℃）會發生凍結，導致其變得堅硬易脆，進而限制了導電水凝膠在低溫環境(如極地)中的應用。因此，開發具備抗凍功能的導電水凝膠對拓寬其工作溫度范圍具有重要意義。
近年來，天津大學化工學院張雷教授課題組一直致力于耐低溫材料和超低溫保存技術的開發與應用（Advanced Functional Materials, 2019, 30(7): 1907986；Nature Communications, 2020, 11(1): 2037；Chemical Engineering Journal, 2021, 419: 129478；Chemical Engineering Journal, 2020, 402: 126161；Biomacromolecules, 2019, 20(10): 3980-3988；ACS Biomaterials Science & Engineering, 2019, 5(2): 1083-1091；ACS Biomaterials Science & Engineering, 2019, 5(5): 2621-2630等）。例如，受兩性離子型滲透劑（甜菜堿或脯氨酸）抗凍機制的啟發，制備了可在-40 ℃條件下不凍結的抗凍導電水凝膠（Advanced Functional Materials, 2019, 30(7): 1907986）。該水凝膠可在-40 ℃下表現出很高的導電率（~2.7 S/m），并在-40~25 ℃范圍內保持穩定的機械柔性。
值得注意的是，水凝膠還存在極易脫水變干的問題，且脫水后難以自恢復至原始狀態，這不僅影響了水凝膠的穩定性，也限制了其使用壽命。為了解決這一問題，近日天津大學張雷教授團隊通過在聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）水凝膠中引入可高度水化的氯化鋰鹽，開發了長效抗凍、保水和自再生的離子導電水凝膠。該水凝膠可在超低溫環境下（-80 ℃）放置30天不發生凍結。同時，該水凝膠具有出色的保水能力，在環境溫度下（25℃，54％相對濕度）放置一周后，可以維持其原始含水量。此外，在真空干燥后，脫水的水凝膠可以自發吸收周圍環境中（即使在-40 ℃）的水分子，自我再生至其原始狀態。這些特性使該水凝膠具有更寬的工作溫度范圍及更長的使用壽命，適用于開發極端環境下的長效柔性電子產品。
聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導電水凝膠的制備（圖1）。作者選用了具有高度水化能力的氯化鋰作為電解質組分和抗凍組分，以聚（磺基甜菜堿-丙烯酸）作為水凝膠的聚合物網絡。
圖1. 聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）水凝膠的制備
聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導電水凝膠抗凍性能表征（圖2）。作者通過DSC測試證明了氯化鋰可顯著降低水溶液冰點，抑制冰晶形成。在-80 ℃下放置30天后，負載氯化鋰的水凝膠仍然保持未凍結狀態且可被扭曲拉伸。
圖2. 聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導電水凝膠抗凍能力測試
聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導電水凝膠保水性能表征（圖3）。結果表明，在25 ℃，54％相對濕度下放置一周后，水凝膠可維持100%的原始含水量。
圖3. 聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導電水凝膠保水性測試
聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導電水凝膠再生性能表征（圖4）。該水凝膠在真空干燥箱中脫水干燥后，其可在25 ℃，54％相對濕度下再生至原始狀態（18小時）。
圖4. 聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導電水凝膠自再生能力
聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導電水凝膠傳感測試（圖5）。該水凝膠可作為離子導體用于制備柔性傳感器，監測人體運動信號。
圖5. 聚（磺基甜菜堿-co-丙烯酸）離子導電水凝膠用于人體運動檢測
相關成果以“Ionic conductive hydrogels with long-lasting antifreezing, water retention and self-regeneration abilities”為題發表在Chemical Engineering Journal。該論文第一作者為睢曉潔，通訊作者為張雷教授，其他作者有郭洪爽、蔡誠誠、李慶斯、文馳宇、張相宇、汪曉東和楊靜。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129478
團隊介紹
張雷，天津大學化工學院教授、博士生導師、生物化工系主任。入選國家自然科學基金委“優秀青年科學基金”、教育部“新世紀優秀人才支撐計劃”、天津市“中青年科技創新領軍人才”、“侯德榜化工青年獎”、“天津首屆青年創新能手”等，榮獲2020年天津大學“我心目中的十佳導師”。擔任《中國化工學報（英文版）》編委。一直致力于將親水分子的獨特性質應用于生物化工多個領域，包括超低溫凍存、抗凍材料、抗生物粘附材料、抗菌材料等。
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