上海
近日，杭州电子科技大学电子信息学院研究人员在国际期刊《Microchemical Journal》（中科院二区，影响因子IF=4.9）发表了题为"A PVDF-based organohydrogel for self-powered and anti-freezing sensor in electronic skin"的研究性论文。在该论文中，研究人员利用质构仪用于测定有机水凝胶的机械性能和抗疲劳性能等指标。
自供电压电传感器能够有效解决电子皮肤的供电问题。然而，制造出模量与人类皮肤相似的柔性传感器仍然颇具挑战性。本文报道了一种基于聚偏氟乙烯（PVDF）的有机水凝胶作为电子皮肤用压电传感器。聚乙烯醇（PVA）构成主要网络，促进了 PVDF 中电活性 β 相的形成，并确保了有机水凝胶传感器的压电性能。聚丙烯酸（PA）通过与 PVA 形成氢键来增强交联密度和机械性能，同时还充当胶凝剂以减少 PVA 结晶。此外，有机溶剂二甲基亚砜（DMSO）被引入，为传感器赋予抗冻性能。该有机水凝胶在 100 次压缩加载 — 卸载循环后展现出优异的抗疲劳性能。而且，有机水凝胶压电传感器有着令人瞩目的约 8 毫秒的响应时间以及 0-30N的宽压力范围。再者，该压电有机水凝胶表现出出色的抗冻性能，即便在低温下冷冻 10 天之后仍能保留其机械和压电特性。基于 PVDF 的有机水凝胶已被证实，在无需外部电源的情况下，对于人体运动检测有着重大的应用潜力。
机械性能对于压电有机水凝胶作为传感器在电子皮肤中的应用尤为重要。为了研究聚丙烯酸（PA）对有机水凝胶机械性能的影响，我们对含有不同聚丙烯酸含量的有机水凝胶的弹性性能进行了测试。在应力-应变曲线图中可以观察到，PVA- PVDF1.8- PA0.2有机水凝胶表现出较低的抗压能力，在受到 45% 的压缩应变时就会发生破裂。相比之下，PVA- PVDF1.8- PA0.5展现出了更强的机械性能，因为它能够承受高达 0.17 Mpa的应力而不会破裂。随着PA含量从 0.2 增加到 0.5，有机水凝胶的压缩强度和模量也随之增加。这种性能的改善归因于PA中羟基所促成的众多氢键，这些羟基会与PVA中的羟基发生物理交联。这些增强的分子间相互作用显著地改善了PVA- PVDFX- PAY型有机水凝胶的机械性能。与PVA- PVDF1.8- PA0.5相比，PVA- PVDF1.8- PA0.8的抗压强度有所下降，这表明随着PA含量进一步增加，有机水凝胶的机械性能出现了下滑。随着PA过量增加，更多的氢键形成，这会减少PVA内部分子间的氢键，进而导致有机水凝胶的网络结构变得疏松。为了进一步探究有机水凝胶的机械耐久性，我们对在应力测试中表现最佳的PVA- PVDF1.8- PA0.5有机水凝胶进行了循环加载 — 卸载测试。PVA- PVDF1.8- PA0.5有机水凝胶的机械稳定性和抗疲劳性能十分出色，这从其经过 100 次循环后仍保持一致的曲线（疲劳测试）便可得到证明。在 50% 的压缩应变下，该有机水凝胶的应力曲线在经过 100 次压缩加载 — 卸载循环后仅显示出微小的滞后现象。
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