澳門大學(xué)研發(fā)適用于柔性傳感器的快速自恢復(fù)水解水凝膠

聚丙烯酰胺被廣泛用于構(gòu)建功能性水凝膠。但是，這種水凝膠在水中的體積膨脹削弱了其機械性能并限制了其應(yīng)用。在本文中， 澳門大學(xué) Rui Liang/ 孫國星教授 團隊 報告了一種通過在高溫酸溶液中水解將溶脹而弱的聚丙烯酰胺 /羧甲基殼聚糖水凝膠轉(zhuǎn)變成強韌的水凝膠的策略。

所獲得的 水解水凝膠具有5.9 MPa，22 MJ/m 3 和7517 J/m 2 的高強度，韌性和撕裂斷裂能，分別是原始溶脹凝膠的254、535和186倍。另外，該凝膠顯示出低的殘余應(yīng)變和快速的自我恢復(fù)能力。 此外，凝膠具有受溫度控制的良好的形狀記憶行為。此外，該凝膠可以用作應(yīng)變傳感器，具有寬的應(yīng) 變窗口，高靈敏度，出色的線性響應(yīng)以及在將治療劑浸入正常鹽水溶液后監(jiān)測人體運動時的耐用性。這項工作為制備用于軟致動器和柔性電子領(lǐng)域的可拉伸且堅韌的聚丙烯酰胺基水凝膠提供了一種新方法。相關(guān)論文以題為 Hydrolyzed Hydrogels with Super Stretchability, High Strength, and Fast Self-Recovery for Flexible Sensors 發(fā)表在《 ACS Appl. Mater. Interfaces 》上。

圖 1.(a)不同水凝膠的外觀。(b)ESG和EHG的拉伸曲線。(c)可以承受600克物體的凝膠(EHG-4-70-30)的圖片。(d)冷凍干燥的ESG和EHG的SEM圖像。比例尺均為1厘米。

示意圖 1 .堅韌水解水凝膠的制備圖解

圖 2. 水解時間對EHG樣品的(a)外觀，(b)SR和(c)WC的影響。(d)具有不同水解時間的EHG樣品的拉伸曲線和(e)相應(yīng)的力學(xué)性能，包括σ b ，E，ε b 和W b 。所得水凝膠的撕裂斷裂能(T)也顯示在(e)中。比例尺：1厘米。

圖 3. (a)具有不同水解時間的EHG樣品的FTIR光譜和(b)XRD光譜。水解溫度和HCl含量分別控制在70℃和30vol%。

圖 4. (a)斷裂應(yīng)力和(b)撕裂斷裂能與斷裂應(yīng)變的材料特性圖

圖 5. (a)堅韌的EHG-3-70-30的連續(xù)循環(huán)拉伸循環(huán)，以及(b)應(yīng)變?yōu)?00%至2000%的殘余應(yīng)變和耗散能量。(c)EHG-3-70-30的10個連續(xù)的拉伸循環(huán)，應(yīng)變?yōu)?00%，沒有等待時間，并且(d)每個循環(huán)具有相應(yīng)的耗散能量。(e)初始水凝膠樣品和其余樣品在500%應(yīng)變下的2分鐘循環(huán)拉伸加載-卸載循環(huán)。(f)原始凝膠樣品和其余樣品的循環(huán)拉伸圈持續(xù)24 h，應(yīng)變?yōu)?000%。

圖 6. (a)EHG-3-70-30的溫度掃描。昆蟲圖片分別是該凝膠在2和20°C下的外觀。(b)凝膠(EHG-3-70-30)在200克負荷下于水中在不同溫度下的變形。(c)圖片顯示受溫度控制的凝膠的形狀記憶行為。螺旋形可以用玻璃棒在2°C的水中盛裝;去除外力后，結(jié)構(gòu)得以保持;浸入20°C水中后，水凝膠可恢復(fù)到其初始平面形狀。(d)成形為直角然后返回到原始狀態(tài)的條狀水凝膠的形狀固定率(Rf)和恢復(fù)率(Rr)。

圖 7. (a)原始凝膠(EHG-3-70-30)及其導(dǎo)電凝膠的電導(dǎo)率，將其浸入正常鹽水溶液中即可獲得。(b)原始凝膠和導(dǎo)電凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c，d)分別為(c)原始凝膠和(d)導(dǎo)電凝膠的循環(huán)拉伸環(huán)。

圖 8. 在(a)小應(yīng)變(0.25–2.0%)和(b)大應(yīng)變(100–1000%)的循環(huán)負載下，凝膠傳感器的相對電阻變化。(c)凝膠傳感器在不同伸長率下的相對電阻變化。(d)在200%的50%應(yīng)變的循環(huán)拉伸試驗下的相對電阻變化。

圖 9 .水解凝膠傳感器在監(jiān)測人體運動中的應(yīng)用：(a)嘴巴張開和閉合，(b)連續(xù)吞咽，(c)手指彎曲，(d)手腕彎曲，(e)肘部彎曲，和( f)腿彎曲。