《Research》东华大学张超/刘天西: 致密氢键网络增强极高韧性、快速自恢复和自粘附的离子导电水凝胶，用于人体运动检测

非金非土非木 2021年6月23日浏览：1954

摘要

构建具有高透明度、优异机械强度、高韧性和快速自我恢复的离子导电水凝胶是非常需要但具有挑战性的。先前，从 1-甲基-3-（4-乙烯基苄基）咪唑鎓的无规共聚角度，东华大学张超研究员 / 刘天西教授团队提出了一种氢键网络致密化策略，用于制备高度可拉伸且透明的聚（离子液体）水凝胶（PAM-r-MVIC）氯化物和丙烯酰胺在水中。由于形成了致密的氢键网络，所得的 PAM-r-MVIC 表现出固有的高拉伸性 (>1000%) 和压缩性 (90%) ，快速自恢复和高韧性 (2950 kJ m ^-3 ) ，并具有出色的抗疲劳性，100 次循环无偏差。

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耗散粒子动力学模拟表明，氢键沿拉伸方向的取向提高了机械强度和韧性，这进一步通过均方位移计算形成的致密氢键网络导致的分子链运动限制得到进一步证明。结合在宽温度范围内的高离子电导率和在各种表面上具有定制粘合强度的自主粘合性， PAM-r-MVIC 可以很容易地用作具有自粘合性的电容/电阻双峰传感器的高度可拉伸和可修复的离子导体，高灵敏度、出色的线性度和出色的耐用性。这项研究可能为设计和制造具有高机械弹性、高韧性和优异疲劳恢复能力的离子导电水凝胶提供一条新途径，用于检测复杂人体运动的皮肤离子传感器。相关论文以题为 Dense Hydrogen-Bonding Network Boosts Ionic Conductive Hydrogels with Extremely High Toughness, Rapid Self-Recovery, and Autonomous Adhesion for Human-Motion Detection 发表在《 Research 》上。

主图

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图1 PAM-r-MVIC 的设计和特性。 (a) 具有密集氢键网络的 PAM-r-MVIC 的示意图。(b) PAM-r-MVIC-2 制成各种形状的照片。(c) 显示 PAM-r-MVIC-2 高透明度的照片。PAM-r-MVIC-2 承受 (d) 大拉伸和 (e) 压缩的照片。(f) 重量为 500 g 的 PAM-r-MVIC-2 的照片。

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图2 PAM-r-MVIC 的相互作用和流变行为。 (a) PAM-r-MVIC 和单体的 FTIR 光谱。(b) PAM-r-MVIC 和 PAM 的 FTIR 光谱表明咪唑环的峰。(c) PAM-r-MVIC 和 PMVIC 的 FTIR 光谱表明氨基和羧基的峰。(d) PAM-r-MVIC-2 的应变扫描、(e) 振荡剪切和 (f) 连续阶跃应变测试。

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图3 PAM-r-MVIC 的机械性能。 (a) 拉伸应力-应变曲线；(b) PAM-r-MVIC、PAM 和 PMVIC 的弹性模量和韧性。(c) PAM-r-MVIC-2 的连续拉伸加载-卸载曲线。(d) 压缩应力-应变曲线；(e) PAM-r-MVIC、PAM 和 PMVIC 的压缩模量。(f) PAM-r-MVIC-2 的连续压缩加载-卸载曲线。

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图4 具有密集氢键网络的 PAM-r-MVIC 高拉伸性的模拟和计算结果。（a）具有5个接枝臂的PAM-r-MVIC的DPD模型（由05/NB氢键系统表示）。(b) 应力-应变曲线和 (c) PAM-r-MVIC 分子链的有序参数，拉伸下氢键含量增加。(d) 计算的 MSD 作为各种 PAM-r-MVIC（、8、11 和 17）的时间函数。(e) 拉伸和恢复过程中氢键和分子链取向的示意图。

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图5 PAM-r-MVIC 的自粘性能。 (a) PAM-r-MVIC-2 自粘在各种基材上的照片。(b) 搭接剪切试验示意图。(c) PAM-r-MVIC 在各种基材上的搭接剪切粘附曲线。(d) PAM-r-MVIC 在各种基材上的粘合机械强度。(e) PAM-r-MVIC-2 对金属的粘附机械强度，用于各种剥离-粘附循环。(f) 照片显示 PAM-r-MVIC-2 在猪皮上的自粘和剥离。(g) 照片显示了在猪皮上经过 100 次循环后的剥离和粘附过程。（h）PAM-r-MVIC 在各种基材上的自粘附机制示意图。

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图6 PAM-r-MVIC-2 的极端温度耐受性和自愈性能。 (a) 从 -20 到 100°C 的离子电导率的温度依赖性。(b) 不同温度下的相对电阻变化。(c) 照片显示低温下的高柔韧性。(d) 照片显示了 PAM-r-MVIC-2 在连接到用于点亮凸点的电路时的切割和自愈过程。(e) 切割和自愈前后的电阻。（ f ）切割和自愈过程不同时间后的相对电阻变化。

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图7 PAM-r-MVIC-2 在双峰电容/电阻离子传感器中的传感性能。 (a) 双峰传感器设计的示意图。(b) 电容模式下的灵敏度。不同 (c) 频率和 (d) 力的压力下的相对电容变化。(e) 相对电容变化的循环稳定性。(f) 电阻模式下的灵敏度。在具有不同 (g) 频率和 (h) 力的压力下的相对阻力变化。(i) 相对阻力变化的循环稳定性。

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