导电水凝胶中互连相互作用对应变传感器性能的提升

《European Polymer Journal》：Interlinking interactions in conductive hydrogels for property enhancement in strain sensors

　　

摘要

导电聚合物水凝胶的智能传感行为使其在可穿戴技术领域具有吸引力。但在将其投入实际应用之前，优化其性能至关重要，而这只有通过调节聚合物网络内部的交联相互作用才能实现。本文重点阐述了交联效应对所选性能的影响，包括导电水凝胶的机械性能、自恢复能力、自修复能力、粘附性以及热稳定性（抗冻结/抗蒸发），这些性能与应变传感应用密切相关。讨论仅限于交联相互作用，包括物理相互作用（疏水性、氢键、聚合物链缠结等）和化学相互作用（配位、共价、离子键等）。主要参考了当前的文献资料，以正确解释导电水凝胶领域的进展，并讨论了仍然存在的挑战及未来展望。

引言

聚合物水凝胶由三维结构的聚合物链组成，内部含有大量水分。这种水被认为是聚合物水凝胶的"灵魂"。聚合物链由不同类型的单体构成，因此凝胶的性质在很大程度上取决于其组成成分。三维结构赋予了这些水凝胶独特的不溶解特性。因此，这些材料不会溶解在溶剂中，而是会发生一些物理性和暂时性的变化。聚合物网络内部涉及的相互作用在决定聚合物水凝胶性能方面起着重要作用[1]，[2]。这些相互作用包括聚合物-聚合物链之间、聚合物链-水分子之间以及水分子-水分子之间的相互作用[3]。通过在聚合物网络中引入一些额外的基团可以进一步调节这些相互作用[4]。外部环境条件会引起聚合物水凝胶网络内部相互作用的可逆变化，从而导致这些凝胶行为的显著变化，这就是为什么这些材料被称为智能或"聪明"材料的原因。正因为这种智能特性，水凝胶在传感技术、生物医学领域[5]等方面的应用受到了优先考虑。

现代应变传感技术需要具备多功能、高性能、成本低廉、易于功能化、可逆性、精确测量能力、循环稳定性以及基于生物材料且无毒等特性的传感器[6]等。与其他关注材料相比，聚合物水凝胶涵盖了上述所有特性，因此被优先选作应变传感器[7]，[8]。近年来，许多成功的尝试已被用于设计应变传感水凝胶，所开发的材料表现出良好的响应和多功能特性[9]，[10]。除人体运动监测外，柔性可穿戴传感器也被开发用于原位植物监测，支持精准农业应用[11]，[12]。超薄纤维素离子凝胶器件通过采用溶剂诱导的纤维素分子和活性物质的组装技术，实现了高强度、高压力灵敏度、低阻抗和良好的稳定性[13]。类似地，通过加强纤维素分子框架内的氢键网络并减弱静电相互作用，可以设计出用于下一代电子设备的高性能纤维素离子凝胶[14]。然而，要在水凝胶中保持具有多功能能力的传感行为仍然是一项具有挑战性的任务，需要对保持水凝胶稳定三维结构有深入了解。先进的应变传感器需要在保持其机械性能、自恢复能力、自修复能力、粘附性和保水性不受影响的情况下实现一致的信号输出。但在大多数情况下，传感器会牺牲某些性能以提高其他性能的表现[15]，[16]。例如，不同的石墨烯基应变传感器架构表现出明显的性能局限性：单层石墨烯传感器通常变形范围有限，而石墨烯-聚合物纳米复合传感器虽然提供了更大的测量范围，但可能会受到导电通路不稳定和线性度降低的影响。特别是，Chen等人[17]实际上并没有展示一种牺牲一种传感性能以提高另一种性能的传感器。相反，他们的工作解决的是材料和可加工性方面的挑战：液态金属具有优异的导电性和柔韧性，但润湿性和图案化能力较差。因此，添加SiO₂以改善其流变性能和图案化能力。

表1展示了通过在水凝胶网络中引入不同材料来创建交联作用的不同导电水凝胶及其对前述应变传感性能的影响。一般而言，网络内部的化学交联增强了机械强度，但通常牺牲了拉伸性以及水凝胶的粘附和自修复特性。类似地，物理相互作用为水凝胶带来了优异的自修复和粘附特性，但降低了机械强度和自恢复能力。因此，双交联/多重交联产生的多功能水凝胶具有优于单一交联方式的优异应变传感行为。

水凝胶中涉及多种类型的物理相互作用，如氢键、离子相互作用和疏水相互作用。氢键在聚合物网络中提供可逆的交联作用，并具有优异的自修复效率。然而，其相对较弱的键合力可能会降低水凝胶的机械强度[52]。另一方面，离子相互作用提供强静电相互作用，可改善机械强度和稳定性，尽管许多其他离子交联会降低弹性性能[53]。而疏水相互作用增强了水凝胶的韧性、机械强度和稳健性，但在某些聚合物体系中，由于疏水性和其他特性，它们不表现出粘附性[54]。因此，通过组合水凝胶中的多种相互作用来实现稳健的机械和功能性能。

章节摘要

机械性能

导电水凝胶的机械性能对于其用于应变传感器起着重要作用。这些性能通过各种增强方法或交联策略得到提升，例如使用纳米复合材料、双网络策略、双交联机制以及通过形成互穿网络来增强[55]。此外，纳米材料可以作为水凝胶网络中的增强组分，提供额外的相互作用

挑战与未来展望

尽管目前在用于应变传感目的的聚合物水凝胶方面的进步改善了其应用，但在实际使用中仍存在若干局限性。在持续拉伸-弯曲、不同环境暴露以及长期使用的情况下，保持导电水凝胶多种性能的稳定行为是一项巨大挑战。在水凝胶网络内部保持稳定的保水性以提高性能是一个重大问题。水的微小变化

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

Luqman Ali Shah