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《Research》東華大學張超/劉天西: 致密氫鍵網絡增強極高韌性、快速自恢復和自粘附的離子導電水凝膠，用于人體運動檢測
2021年6月23日 11:02瀏覽：2487
構建具有高透明度、優異機械強度、高韌性和快速自我恢復的離子導電水凝膠是非常需要但具有挑戰性的。先前，從
1-甲基-3-（4-乙烯基芐基）咪唑鎓的無規共聚角度，
東華大學
張超研究員
/
劉天西
教授
團隊
提出了一種氫鍵網絡致密化策略，用于制備高度可拉伸且透明的聚（離子液體）水凝膠（PAM-r-MVIC）氯化物和丙烯酰胺在水中。由于形成了致密的氫鍵網絡，所得的 PAM-r-MVIC 表現出固有的
高拉伸性
(>1000%)
和
壓縮性 (90%)
，快速
自恢復和高韌性 (2950 kJ m
-3
)
，并具有出色的抗疲勞性，100 次循環無偏差。
耗散粒子動力學模擬
表明，氫鍵沿拉伸方向的取向提高了機械強度和韌性，這進一步通過均方位移計算形成的致密氫鍵網絡導致的分子鏈運動限制得到進一步證明。結合在寬溫度范圍內的高離子電導率和在各種表面上具有定制粘合強度的自主粘合性，
PAM-r-MVIC 可以很容易地用作具有自粘合性的電容/電阻雙峰傳感器的高度可拉伸和可修復的離子導體，高靈敏度、出色的線性度和出色的耐用性。這項研究可能為設計和制造具有高機械彈性、高韌性和優異疲勞恢復能力的離子導電水凝膠提供一條新途徑，用于檢測復雜人體運動的皮膚離子傳感器。
相關論文以題為
Dense Hydrogen-Bonding Network Boosts Ionic Conductive Hydrogels with Extremely High Toughness, Rapid Self-Recovery, and Autonomous Adhesion for Human-Motion Detection
發表在《
Research
》上。
圖1
PAM-r-MVIC 的設計和特性。
(a) 具有密集氫鍵網絡的 PAM-r-MVIC 的示意圖。(b) PAM-r-MVIC-2 制成各種形狀的照片。(c) 顯示 PAM-r-MVIC-2 高透明度的照片。PAM-r-MVIC-2 承受 (d) 大拉伸和 (e) 壓縮的照片。(f) 重量為 500 g 的 PAM-r-MVIC-2 的照片。
圖2
PAM-r-MVIC 的相互作用和流變行為。
(a) PAM-r-MVIC 和單體的 FTIR 光譜。(b) PAM-r-MVIC 和 PAM 的 FTIR 光譜表明咪唑環的峰。(c) PAM-r-MVIC 和 PMVIC 的 FTIR 光譜表明氨基和羧基的峰。(d) PAM-r-MVIC-2 的應變掃描、(e) 振蕩剪切和 (f) 連續階躍應變測試。
圖3
PAM-r-MVIC 的機械性能。
(a) 拉伸應力-應變曲線；(b) PAM-r-MVIC、PAM 和 PMVIC 的彈性模量和韌性。(c) PAM-r-MVIC-2 的連續拉伸加載-卸載曲線。(d) 壓縮應力-應變曲線；(e) PAM-r-MVIC、PAM 和 PMVIC 的壓縮模量。(f) PAM-r-MVIC-2 的連續壓縮加載-卸載曲線。
圖4
具有密集氫鍵網絡的
PAM-r-MVIC 高拉伸性的模擬和計算結果。
（a）具有5個接枝臂的PAM-r-MVIC的DPD模型（由05/NB氫鍵系統表示）。(b) 應力-應變曲線和 (c) PAM-r-MVIC 分子鏈的有序參數，拉伸下氫鍵含量增加。(d) 計算的 MSD 作為各種 PAM-r-MVIC（、8、11 和 17）的時間函數。(e) 拉伸和恢復過程中氫鍵和分子鏈取向的示意圖。
圖5
PAM-r-MVIC 的自粘性能。
(a) PAM-r-MVIC-2 自粘在各種基材上的照片。(b) 搭接剪切試驗示意圖。(c) PAM-r-MVIC 在各種基材上的搭接剪切粘附曲線。(d) PAM-r-MVIC 在各種基材上的粘合機械強度。(e) PAM-r-MVIC-2 對金屬的粘附機械強度，用于各種剝離-粘附循環。(f) 照片顯示 PAM-r-MVIC-2 在豬皮上的自粘和剝離。(g) 照片顯示了在豬皮上經過 100 次循環后的剝離和粘附過程。（h）PAM-r-MVIC 在各種基材上的自
粘附機制示意圖。
圖6
PAM-r-MVIC-2 的極端溫度耐受性和自愈性能。
(a) 從 -20 到 100°C 的離子電導率的溫度依賴性。(b) 不同溫度下的相對電阻變化。(c) 照片顯示低溫下的高柔韌性。(d) 照片顯示了 PAM-r-MVIC-2 在連接到用于點亮凸點的電路時的切割和自愈過程。(e) 切割和自愈前后的電阻。（ f ）切割和自愈過程不同時間后的相對電阻變化。
圖7
PAM-r-MVIC-2 在雙峰電容/電阻離子傳感器中的傳感性能。
(a) 雙峰傳感器設計的示意圖。(b) 電容模式下的靈敏度。不同 (c) 頻率和 (d) 力的壓力下的相對電容變化。(e) 相對電容變化的循環穩定性。(f) 電阻模式下的靈敏度。在具有不同 (g) 頻率和 (h) 力的壓力下的相對阻力變化。(i) 相對阻力變化的循環穩定性。
圖8
可穿戴
PAM-r-MVIC-2 雙峰傳感器監測復雜的人體運動。
在檢測 (a, b) 手指彎曲、(c, d) 手腕彎曲和 (e, f) 吞咽時記錄的實時電阻和電容信號。在相應的測量過程中拍攝了插圖。
doi.org/10.34133/2021/9761625
版權聲明：
「
高分子材料科學
」旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。編輯水平有限
，
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