高分子導(dǎo)電水凝膠的制備及在柔性可穿戴電子設(shè)備中的應(yīng)用

李靜

摘要：隨著5?G智能終端的普及和智能化醫(yī)療水平的提高，多功能性的柔性電子器件在智能醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測中發(fā)揮著不可替代的作用。柔性電子器件可以將生理電信號與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)送至智能終端，通過人工智能與大數(shù)據(jù)分析可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測健康情況與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此，制備用于柔性電子器件的材料已經(jīng)成為目前的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的電子器件存在質(zhì)地堅(jiān)硬、易碎、力學(xué)性能與皮膚不匹配等問題，而柔性電子器件具有優(yōu)異的拉伸性能、導(dǎo)電性能和與皮膚模量相似等特性，能完美解決傳統(tǒng)剛性電子器件的弊端。

關(guān)鍵詞：水凝膠;離子導(dǎo)電;電子導(dǎo)電;柔性可穿戴電子設(shè)備

引言

柔性可穿戴電子設(shè)備在21世紀(jì)獲得了極大的推廣，成為近年來的研究熱點(diǎn);作為其核心內(nèi)容的柔性傳感器，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮出巨大的作用。

1導(dǎo)電水凝膠

水凝膠是含水量豐富的網(wǎng)絡(luò)聚合物，聚合物分子鏈上的親水性基團(tuán)保證了水凝膠的溶脹性和高含水率，水凝膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和聚合物分子鏈間的分子間相互作用力產(chǎn)生內(nèi)聚力阻止水分子進(jìn)一步滲透。水凝膠的多孔結(jié)構(gòu)能夠使水分子自由地穿越聚合物網(wǎng)絡(luò)，水中分子的高頻流動(dòng)為導(dǎo)電水凝膠的制備提供了可行性方法。在自然界中，導(dǎo)電性來源于電子或離子的傳輸。例如，像金屬等無機(jī)材料往往通過電子傳導(dǎo)電流，而在生物體內(nèi)通常是通過離子傳遞電子信息。導(dǎo)電水凝膠主要是通過將帶電鹽或是導(dǎo)電材料結(jié)合到彈性三維水凝膠網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)離子導(dǎo)電，或者在水凝膠中添加本征導(dǎo)電聚合物、金屬納米顆粒和碳基納米材料實(shí)現(xiàn)電子導(dǎo)電。電子導(dǎo)電水凝膠最廣泛的制備方法是直接將電子導(dǎo)電材料摻入水凝膠基質(zhì)中，電子導(dǎo)電材料一般分為三類：金屬（銀、銅等）納米粒子/納米線。碳基材料（例如碳納米顆粒/碳納米線、石墨烯、氧化石墨烯）和導(dǎo)電聚合物（如聚苯乙烯）。在離子導(dǎo)電水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，離子導(dǎo)電材料電解出的自由移動(dòng)帶電離子作為水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的主要溶劑，高濃度自由移動(dòng)的帶電離子為水凝膠在變形過程時(shí)提供連續(xù)的導(dǎo)電性。但是，由于離子濃度過高，在水凝膠變形過程中容易存在離子泄露、高溫蒸發(fā)和低溫凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)，這些風(fēng)險(xiǎn)促使科研人員對離子導(dǎo)電水凝膠進(jìn)行更深入研究。電子導(dǎo)電水凝膠中包含高濃度的非透明導(dǎo)電填充材料導(dǎo)致電子導(dǎo)電水凝膠透明度差。

2水凝膠的性能分析

2.1合水凝膠的制備與形貌

通過一種簡單的方法制備具有高強(qiáng)度耐低溫CNF-MXene/PVA-KO

H復(fù)合水凝膠，將CNFs和MXene納米片層懸濁液超聲輔助分散形成CNF-MXene分散液。然后，將CNF-MXene復(fù)合物分散到PVA基體中，采用凍融循環(huán)的方式物理交聯(lián)形成CNFs雙網(wǎng)絡(luò)復(fù)合水凝膠。CNFMXene/PVA-KOH復(fù)合水凝膠的內(nèi)部機(jī)構(gòu)示意圖，如圖所示，CNF-MXene復(fù)合物均勻分散于CNFs和PVA通過氫鍵連接形成的雙網(wǎng)絡(luò)中。純PVA水凝膠與復(fù)合水凝膠的橫截面都可以觀察到大量的微孔結(jié)構(gòu)，這與水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相符。PVA水凝膠的橫截面圖孔大且松散，而CNFMXene/PVA-KOH復(fù)合水凝膠的橫截面孔小且致密，這主要是因?yàn)镃NF-MXene復(fù)合物的加入和KOH溶液的處理，使得復(fù)合水凝交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更加致密的緣故;還可以看到凹凸不平的斑塊，這可能是因?yàn)閺?fù)合水凝膠冷凍干燥后，體系內(nèi)溶解的KOH析出后附著于水凝膠上的原因。

2.2 GO/AgNPs復(fù)合材料的XRD表征

曲線在2θ為9.8°處為出現(xiàn)了GO的典型衍射峰，對應(yīng)GO的001晶面。石墨在氧化過程中，隨著?OH，?COOH以及C?O?C等含氧官能團(tuán)的出現(xiàn)，令GO的間層更為疏松，同時(shí)由于產(chǎn)生了這些親水基團(tuán)，使GO能夠更好地分散在水溶液中。由GO/AgNPs的X射線衍射光譜曲線可以發(fā)現(xiàn)，其在2θ為38.3°、44.4°、64.5°和77.4°出現(xiàn)了非常明顯的衍射峰，分別對應(yīng)于Ag的（111）（200）（220）（311）晶面，由此證明了單質(zhì)銀在GO上的生成。GO在10.4°處的峰完全消失，這可能是HBP?NH2改性GO的過程中高溫作用或者HBP?NH2對含氧官能團(tuán)的還原作用引起的，說明GO在此處被還原。且在2θ為22°處有新的特征峰生成，對應(yīng)的（002）特征峰，不是GO的峰，表明端氨基超支化聚合物和環(huán)氧氯丙烷的引入，引入了一些新的官能團(tuán)。

2.3水凝膠作為可穿戴應(yīng)變傳感器

水凝膠傳感器可以對彎曲手肘、抬腿等肢體動(dòng)作做出快速準(zhǔn)確的響應(yīng)，對于周期性的肢體動(dòng)作，水凝膠傳感器可以產(chǎn)生對應(yīng)的周期性電信號。將水凝膠附著在手指上，手指的彎曲角度從?0°變化到?90°，每個(gè)角度停留幾秒鐘，不同的角度對應(yīng)不同的相對電阻變化，并且停留時(shí)相對電阻也能保持穩(wěn)定，這主要是由于水凝膠內(nèi)部的動(dòng)態(tài)物理作用及其穩(wěn)定的離子遷移性。另一方面，對于不同的運(yùn)動(dòng)速率，水凝膠也能進(jìn)行很好地響應(yīng)，將水凝膠貼在膝蓋上可以很好地區(qū)分出走路和跑步的不同狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明P（AAM?-DMC）-PAAS水凝膠對人體運(yùn)動(dòng)具有很高的靈敏度，是下一代柔性電子器件的理想候選材料。

3結(jié)束語

隨著生物材料的發(fā)展，導(dǎo)電水凝膠在力學(xué)性能、生物相容性、自修復(fù)性、溫度敏感性等方面有了長足的發(fā)展。但導(dǎo)電水凝膠的發(fā)展仍面臨以下挑戰(zhàn)：（1）如何在工作狀態(tài)下保持穩(wěn)定的導(dǎo)電率。（2）面對環(huán)境驟變時(shí)能否長期穩(wěn)定的工作。（3）導(dǎo)電水凝膠在與生物組織形成保形接觸時(shí)。能否避免對生物組織造成損傷或引起炎癥反應(yīng)，因此，制備具有優(yōu)異的力學(xué)性能。同時(shí)具備良好的組織粘附性、可注射性和生物相容性的導(dǎo)電水凝膠對柔性可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展至關(guān)重要。

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