澳门大学研发适用于柔性传感器的快速自恢复水解水凝胶

聚丙烯酰胺被广泛用于构建功能性水凝胶。但是，这种水凝胶在水中的体积膨胀削弱了其机械性能并限制了其应用。在本文中， 澳门大学 Rui Liang/ 孙国星教授 团队 报告了一种通过在高温酸溶液中水解将溶胀而弱的聚丙烯酰胺 /羧甲基壳聚糖水凝胶转变成强韧的水凝胶的策略。

所获得的 水解水凝胶具有5.9 MPa，22 MJ/m 3 和7517 J/m 2 的高强度，韧性和撕裂断裂能，分别是原始溶胀凝胶的254、535和186倍。另外，该凝胶显示出低的残余应变和快速的自我恢复能力。 此外，凝胶具有受温度控制的良好的形状记忆行为。此外，该凝胶可以用作应变传感器，具有宽的应 变窗口，高灵敏度，出色的线性响应以及在将治疗剂浸入正常盐水溶液后监测人体运动时的耐用性。这项工作为制备用于软致动器和柔性电子领域的可拉伸且坚韧的聚丙烯酰胺基水凝胶提供了一种新方法。相关论文以题为 Hydrolyzed Hydrogels with Super Stretchability, High Strength, and Fast Self-Recovery for Flexible Sensors 发表在《 ACS Appl. Mater. Interfaces 》上。

图 1.(a)不同水凝胶的外观。(b)ESG和EHG的拉伸曲线。(c)可以承受600克物体的凝胶(EHG-4-70-30)的图片。(d)冷冻干燥的ESG和EHG的SEM图像。比例尺均为1厘米。

示意图 1 .坚韧水解水凝胶的制备图解

图 2. 水解时间对EHG样品的(a)外观，(b)SR和(c)WC的影响。(d)具有不同水解时间的EHG样品的拉伸曲线和(e)相应的力学性能，包括σ b ，E，ε b 和W b 。所得水凝胶的撕裂断裂能(T)也显示在(e)中。比例尺：1厘米。

图 3. (a)具有不同水解时间的EHG样品的FTIR光谱和(b)XRD光谱。水解温度和HCl含量分别控制在70℃和30vol%。

图 4. (a)断裂应力和(b)撕裂断裂能与断裂应变的材料特性图

图 5. (a)坚韧的EHG-3-70-30的连续循环拉伸循环，以及(b)应变为100%至2000%的残余应变和耗散能量。(c)EHG-3-70-30的10个连续的拉伸循环，应变为500%，没有等待时间，并且(d)每个循环具有相应的耗散能量。(e)初始水凝胶样品和其余样品在500%应变下的2分钟循环拉伸加载-卸载循环。(f)原始凝胶样品和其余样品的循环拉伸圈持续24 h，应变为2000%。

图 6. (a)EHG-3-70-30的温度扫描。昆虫图片分别是该凝胶在2和20°C下的外观。(b)凝胶(EHG-3-70-30)在200克负荷下于水中在不同温度下的变形。(c)图片显示受温度控制的凝胶的形状记忆行为。螺旋形可以用玻璃棒在2°C的水中盛装;去除外力后，结构得以保持;浸入20°C水中后，水凝胶可恢复到其初始平面形状。(d)成形为直角然后返回到原始状态的条状水凝胶的形状固定率(Rf)和恢复率(Rr)。

图 7. (a)原始凝胶(EHG-3-70-30)及其导电凝胶的电导率，将其浸入正常盐水溶液中即可获得。(b)原始凝胶和导电凝胶的拉伸应力-应变曲线。(c，d)分别为(c)原始凝胶和(d)导电凝胶的循环拉伸环。

图 8. 在(a)小应变(0.25–2.0%)和(b)大应变(100–1000%)的循环负载下，凝胶传感器的相对电阻变化。(c)凝胶传感器在不同伸长率下的相对电阻变化。(d)在200%的50%应变的循环拉伸试验下的相对电阻变化。

图 9 .水解凝胶传感器在监测人体运动中的应用：(a)嘴巴张开和闭合，(b)连续吞咽，(c)手指弯曲，(d)手腕弯曲，(e)肘部弯曲，和( f)腿弯曲。