高分子導電水凝膠的制備及在柔性可穿戴電子設備中的應用

李靜

摘要：隨著5?G智能終端的普及和智能化醫療水平的提高，多功能性的柔性電子器件在智能醫療、運動監測中發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動狀態發送至智能終端，通過人工智能與大數據分析可遠程實時監測健康情況與運動狀態。因此，制備用于柔性電子器件的材料已經成為目前的研究熱點。傳統的電子器件存在質地堅硬、易碎、力學性能與皮膚不匹配等問題，而柔性電子器件具有優異的拉伸性能、導電性能和與皮膚模量相似等特性，能完美解決傳統剛性電子器件的弊端。

關鍵詞：水凝膠;離子導電;電子導電;柔性可穿戴電子設備

引言

柔性可穿戴電子設備在21世紀獲得了極大的推廣，成為近年來的研究熱點;作為其核心內容的柔性傳感器，已經在各個領域都發揮出巨大的作用。

1導電水凝膠

水凝膠是含水量豐富的網絡聚合物，聚合物分子鏈上的親水性基團保證了水凝膠的溶脹性和高含水率，水凝膠的交聯網絡和聚合物分子鏈間的分子間相互作用力產生內聚力阻止水分子進一步滲透。水凝膠的多孔結構能夠使水分子自由地穿越聚合物網絡，水中分子的高頻流動為導電水凝膠的制備提供了可行性方法。在自然界中，導電性來源于電子或離子的傳輸。例如，像金屬等無機材料往往通過電子傳導電流，而在生物體內通常是通過離子傳遞電子信息。導電水凝膠主要是通過將帶電鹽或是導電材料結合到彈性三維水凝膠網絡中實現離子導電，或者在水凝膠中添加本征導電聚合物、金屬納米顆粒和碳基納米材料實現電子導電。電子導電水凝膠最廣泛的制備方法是直接將電子導電材料摻入水凝膠基質中，電子導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）和導電聚合物（如聚苯乙烯）。在離子導電水凝膠網絡中，離子導電材料電解出的自由移動帶電離子作為水凝膠網絡中的主要溶劑，高濃度自由移動的帶電離子為水凝膠在變形過程時提供連續的導電性。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、高溫蒸發和低溫凍結的風險，這些風險促使科研人員對離子導電水凝膠進行更深入研究。電子導電水凝膠中包含高濃度的非透明導電填充材料導致電子導電水凝膠透明度差。

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度耐低溫CNF-MXene/PVA-KO

H復合水凝膠，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復合物分散到PVA基體中，采用凍融循環的方式物理交聯形成CNFs雙網絡復合水凝膠。CNFMXene/PVA-KOH復合水凝膠的內部機構示意圖，如圖所示，CNF-MXene復合物均勻分散于CNFs和PVA通過氫鍵連接形成的雙網絡中。純PVA水凝膠與復合水凝膠的橫截面都可以觀察到大量的微孔結構，這與水凝膠的三維網絡結構相符。PVA水凝膠的橫截面圖孔大且松散，而CNFMXene/PVA-KOH復合水凝膠的橫截面孔小且致密，這主要是因為CNF-MXene復合物的加入和KOH溶液的處理，使得復合水凝交聯網絡更加致密的緣故;還可以看到凹凸不平的斑塊，這可能是因為復合水凝膠冷凍干燥后，體系內溶解的KOH析出后附著于水凝膠上的原因。

2.2 GO/AgNPs復合材料的XRD表征

曲線在2θ為9.8°處為出現了GO的典型衍射峰，對應GO的001晶面。石墨在氧化過程中，隨著?OH，?COOH以及C?O?C等含氧官能團的出現，令GO的間層更為疏松，同時由于產生了這些親水基團，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現，其在2θ為38.3°、44.4°、64.5°和77.4°出現了非常明顯的衍射峰，分別對應于Ag的（111）（200）（220）（311）晶面，由此證明了單質銀在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，對應的（002）特征峰，不是GO的峰，表明端氨基超支化聚合物和環氧氯丙烷的引入，引入了一些新的官能團。

2.3水凝膠作為可穿戴應變傳感器

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

3結束語

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

參考文獻

[1]劉晨.柔性可拉伸離子導體的制備及其應用[D].南京郵電大學，2020.D

[2]呂書宇.酪蛋白基導電水凝膠的制備及其應用[D].長春工業大學，2020

[3]陳卓，鄭金鑫，王猛等.果膠/聚丙烯酰胺基導電水凝膠的電化學性能表征[C]//.中國化學會第十四屆全國電分析化學學術會議會議論文集（第三分冊）.，2020：30-32.