高分子导电水凝胶的制备及在柔性可穿戴电子设备中的应用

李静

摘要：随着5 G智能终端的普及和智能化医疗水平的提高，多功能性的柔性电子器件在智能医疗、运动监测中发挥着不可替代的作用。柔性电子器件可以将生理电信号与运动状态发送至智能终端，通过人工智能与大数据分析可远程实时监测健康情况与运动状态。因此，制备用于柔性电子器件的材料已经成为目前的研究热点。传统的电子器件存在质地坚硬、易碎、力学性能与皮肤不匹配等问题，而柔性电子器件具有优异的拉伸性能、导电性能和与皮肤模量相似等特性，能完美解决传统刚性电子器件的弊端。

关键词：水凝胶;离子导电;电子导电;柔性可穿戴电子设备

引言

柔性可穿戴电子设备在21世纪获得了极大的推广，成为近年来的研究热点;作为其核心内容的柔性传感器，已经在各个领域都发挥出巨大的作用。

1导电水凝胶

水凝胶是含水量丰富的网络聚合物，聚合物分子链上的亲水性基团保证了水凝胶的溶胀性和高含水率，水凝胶的交联网络和聚合物分子链间的分子间相互作用力产生内聚力阻止水分子进一步渗透。水凝胶的多孔结构能够使水分子自由地穿越聚合物网络，水中分子的高频流动为导电水凝胶的制备提供了可行性方法。在自然界中，导电性来源于电子或离子的传输。例如，像金属等无机材料往往通过电子传导电流，而在生物体内通常是通过离子传递电子信息。导电水凝胶主要是通过将带电盐或是导电材料结合到弹性三维水凝胶网络中实现离子导电，或者在水凝胶中添加本征导电聚合物、金属纳米颗粒和碳基纳米材料实现电子导电。电子导电水凝胶最广泛的制备方法是直接将电子导电材料掺入水凝胶基质中，电子导电材料一般分为三类：金属（银、铜等）纳米粒子/纳米线。碳基材料（例如碳纳米颗粒/碳纳米线、石墨烯、氧化石墨烯）和导电聚合物（如聚苯乙烯）。在离子导电水凝胶网络中，离子导电材料电解出的自由移动带电离子作为水凝胶网络中的主要溶剂，高浓度自由移动的带电离子为水凝胶在变形过程时提供连续的导电性。但是，由于离子浓度过高，在水凝胶变形过程中容易存在离子泄露、高温蒸发和低温冻结的风险，这些风险促使科研人员对离子导电水凝胶进行更深入研究。电子导电水凝胶中包含高浓度的非透明导电填充材料导致电子导电水凝胶透明度差。

2水凝胶的性能分析

2.1合水凝胶的制备与形貌

通过一种简单的方法制备具有高强度耐低温CNF-MXene/PVA-KO

H复合水凝胶，将CNFs和MXene纳米片层悬浊液超声辅助分散形成CNF-MXene分散液。然后，将CNF-MXene复合物分散到PVA基体中，采用冻融循环的方式物理交联形成CNFs双网络复合水凝胶。CNFMXene/PVA-KOH复合水凝胶的内部机构示意图，如图所示，CNF-MXene复合物均匀分散于CNFs和PVA通过氢键连接形成的双网络中。纯PVA水凝胶与复合水凝胶的横截面都可以观察到大量的微孔结构，这与水凝胶的三维网络结构相符。PVA水凝胶的横截面图孔大且松散，而CNFMXene/PVA-KOH复合水凝胶的横截面孔小且致密，这主要是因为CNF-MXene复合物的加入和KOH溶液的处理，使得复合水凝交联网络更加致密的缘故;还可以看到凹凸不平的斑块，这可能是因为复合水凝胶冷冻干燥后，体系内溶解的KOH析出后附着于水凝胶上的原因。

2.2 GO/AgNPs复合材料的XRD表征

曲线在2θ为9.8°处为出现了GO的典型衍射峰，对应GO的001晶面。石墨在氧化过程中，随着−OH，−COOH以及C−O−C等含氧官能团的出现，令GO的间层更为疏松，同时由于产生了这些亲水基团，使GO能够更好地分散在水溶液中。由GO/AgNPs的X射线衍射光谱曲线可以发现，其在2θ为38.3°、44.4°、64.5°和77.4°出现了非常明显的衍射峰，分别对应于Ag的（111）（200）（220）（311）晶面，由此证明了单质银在GO上的生成。GO在10.4°处的峰完全消失，这可能是HBP−NH2改性GO的过程中高温作用或者HBP−NH2对含氧官能团的还原作用引起的，说明GO在此处被还原。且在2θ为22°处有新的特征峰生成，对应的（002）特征峰，不是GO的峰，表明端氨基超支化聚合物和环氧氯丙烷的引入，引入了一些新的官能团。

2.3水凝胶作为可穿戴应变传感器

水凝胶传感器可以对弯曲手肘、抬腿等肢体动作做出快速准确的响应，对于周期性的肢体动作，水凝胶传感器可以产生对应的周期性电信号。将水凝胶附着在手指上，手指的弯曲角度从 0°变化到 90°，每个角度停留几秒钟，不同的角度对应不同的相对电阻变化，并且停留时相对电阻也能保持稳定，这主要是由于水凝胶内部的动态物理作用及其稳定的离子迁移性。另一方面，对于不同的运动速率，水凝胶也能进行很好地响应，将水凝胶贴在膝盖上可以很好地区分出走路和跑步的不同状态。实验结果表明P（AAM -DMC）-PAAS水凝胶对人体运动具有很高的灵敏度，是下一代柔性电子器件的理想候选材料。

3结束语

随着生物材料的发展，导电水凝胶在力学性能、生物相容性、自修复性、温度敏感性等方面有了长足的发展。但导电水凝胶的发展仍面临以下挑战：（1）如何在工作状态下保持稳定的导电率。（2）面对环境骤变时能否长期稳定的工作。（3）导电水凝胶在与生物组织形成保形接触时。能否避免对生物组织造成损伤或引起炎症反应，因此，制备具有优异的力学性能。同時具备良好的组织粘附性、可注射性和生物相容性的导电水凝胶对柔性可穿戴电子设备的发展至关重要。

参考文献

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[3]陈卓，郑金鑫，王猛等.果胶/聚丙烯酰胺基导电水凝胶的电化学性能表征[C]//.中国化学会第十四届全国电分析化学学术会议会议论文集（第三分册）.，2020：30-32.