《CEJ》福建工程学院：通过机械互锁结构增强疏水封装水凝胶纤维的界面粘合，面向抗干燥和抗肿胀应变传感器

第一作者：Lihong Geng

通讯作者：Xiangfang Peng

通讯单位：福建工程学院

DOI: 10.1016/j.cej.2024.155027

背景介绍

具有优异生物相容性、高弹性和显著刺激响应性的水凝胶已被开发用于各种柔性可穿戴电子产品，其中最近的亮点是一维水凝胶纤维。水凝胶纤维可以轻松集成到服装中以适应不规则的表面，并为可穿戴电子设备提供出色的透气性和透湿性。因此，一维导电水凝胶纤维已成为柔性电子设备开发中的关键柔性功能材料。提高机械耐久性、增强电性能和扩大工作条件的结合通常是水凝胶优化柔性电子产品的先决条件，其中优异的机械性能和导电性将保证传感稳定性、耐久性和灵敏度。此外，水凝胶在大气中脱水和吸水膨胀的固有特性也限制了其作为柔性电子材料的应用。

湿纺丝因其成熟的技术工艺和可控性优势而被广泛应用于导电水凝胶纤维（CHF）的大规模生产。例如，采用连续湿纺技术成功制备出具有优异化学稳定性的离子导电聚酰亚胺水凝胶纤维（HPIFs-CaCl2）。简单的连续湿纺也用于获得具有物理和共价混合交联结构的有机水凝胶纤维。但值得注意的是，这些水凝胶纤维表现出相对较弱的机械性能和电性能。人们为改善机械性能做出了许多努力，其中双网络结构的构建可以同时有效提高水凝胶的强度和韧性。不对称双网络结构可以在水凝胶变形过程中耗散能量，并在施加负载时防止水凝胶断裂。即便如此，由于高强度水凝胶的紧密网络结构会限制离子的流动性，因此实现具有出色机械和电导率的水凝胶纤维的连续生产仍然是一个挑战。

采用疏水弹性体进行封装是解决导电水凝胶在大气中失水和吸水膨胀问题的常用方法，通过在水凝胶周围建立疏水屏障，有效地阻止了内部水分的流失、离子的扩散和外部水分的渗透。借鉴哺乳动物皮肤结构，通过双疏水涂层显著提高了水凝胶的抗干燥和抗膨胀性能，其中锁住硅油的聚合物层被构建为水凝胶表面的永久屏障。为了增强亲水/疏水界面的结合强度，通过引入MXenes对水凝胶进行疏水改性。利用MXene表面的疏水基团来增强水凝胶与疏水层之间的界面结合强度。此外，通过在弹性体表面的水凝胶中共价锚定聚合物网络，也提高了弹性体封装水凝胶的界面结合强度，该网络是由紫外光引发界面共价交联而构建的。但水凝胶-弹性体杂化材料的界面结合强度提升仍有限，在高拉伸状态下容易发生滑移或分层，且弹性体包覆的水凝胶纤维尚未见报道，包覆水凝胶纤维在水环境中的长期稳定性有待进一步研究。

本文亮点

1. 本工作成功开发了一种具有增强界面结合、优异机械和电气性能的硅橡胶包覆水凝胶纤维，其中核心聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶纤维是通过连续湿法纺丝和随后的冻融制备的。

2. 互锁的双网络结构和带负电荷的海藻酸钠改善的离子传输使核心水凝胶纤维具有4.15 MPa的优异强度、1531%的断裂伸长率和17.01 S·m−1的电导率。

3. 使用硅橡胶封装后，复合水凝胶纤维在水下7天的低膨胀率为1.00±0.21%，在空气中36小时的低重量损失为38.67±0.38%。

图文解析

图1. 具有增强界面结合的硅橡胶包封水凝胶纤维的制备过程示意图。

图2. 冻干PB水凝胶纤维（a）、PBS3水凝胶纤维（c）横截面的SEM图像和相应的放大图（b、d）。不同SA含量的PBSX水凝胶纤维的力学性能（e）和电导率（f）。

图3. PBS、PBS/SR和PBS/STA/SR水凝胶纤维的拉伸应力-应变曲线（a）。PBS/STA/SR水凝胶纤维在100-900%应变范围内的加载-卸载曲线，应变增量为200%（b）。PBS/STA/SR水凝胶纤维在300%最大应变下连续十个循环的加载-卸载曲线（c）。照片显示PBS/SR水凝胶纤维（d，e）和PBS/STA/SR水凝胶纤维的可拉伸性特征（h，i）。冷冻断裂的PBS/SR水凝胶纤维（f，g）和PBS/STA/SR水凝胶纤维的横截面SEM图像（j，k）。

图4. PBS水凝胶纤维和PBS/STA/SR水凝胶纤维在空气环境（a）和水下（b）不同时间的照片。PBS水凝胶纤维、PBS/STA水凝胶纤维、PMS/SR水凝胶纤维和PBS/STA/SR水凝胶纤维的空气干燥（c）和水溶胀性能（d）的比较。PBS/STA/SR水凝胶纤维在去离子水、生理盐水、1M NaOH溶液和1M HCl溶液中的水溶胀性能（e）。

图5. PBS/STA/SR水凝胶纤维的电阻响应（ΔR/R0）随拉伸应变的变化（a）。水凝胶纤维在大应变（100-600%）（b）和小应变（15-45%）（c）下的相对电阻变化。用于模拟高频高速运动的定制设备示意图（d）。PBS/STA/SR水凝胶纤维在50%应变下对循环加载和卸载的动态响应（e）。PBS/STA/SR水凝胶纤维在2400次加载和卸载循环（50%应变）期间的相对电阻变化，以显示传感稳定性（f）。

图6. PBS/STA/SR水凝胶纤维传感器对空气环境中各种人体运动的反应：手指以30°、45°、60°和90°的不同角度弯曲（a），手腕弯曲（b），肘部弯曲（c），膝盖弯曲（d），皱眉（e），面部微笑的变化（f），颈部运动（g），吞咽和言语（h）。

图7. 用于水下通信的莫尔斯电码示意图（a）。与水生环境中手指弯曲相关的电反应（b）。通过在水中弯曲手指发送“SOS”（c）和“help me”（d）信息。基于PBS/STA/SR水凝胶纤维的水下传感器的响应性：手指在30°、45°、60°和90°的不同角度弯曲（e），手腕弯曲（f），水下环境中的肘部弯曲（g）。

来源：柔性传感及器件