广工郭建维教授团队等：纳米纤维素和多壁碳纳米管增强聚丙烯酰胺/海藻酸钠复合导电水凝胶用于柔性触觉传感和摩擦纳米发电机

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-11-01 07:30

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随着生物基水凝胶传感材料的蓬勃发展，在生物传感、绿色储能、健康医疗等领域具有重要意义。然而传统水凝胶材料存在导电灵敏度低、刺激响应性单一、机械强度不足等问题，严重限制了其实际应用。因此，如何设计一种高导电性的柔性可穿戴的器件，以实现微小变形和温度变化的触觉感知管理系统，并增强摩擦纳米发电机自供电能力，对于柔性传感器在多种场景下应用潜力巨大。

目前，广东工业大学郭建维教授课题组报道一种新型的双纳米增强剂作用的纤维素复合导电水凝胶（MWCNTs/CNWs/PAM/SA）。通过自由基聚合方法形成PAM水凝胶，SA分子链与PAM形成物理氢键和化学共价键作用的半互穿网络水凝胶，柔软的CNWs与PAM/SA交联网络相互渗透和缠绕，MWCNTs填充到交联网络骨架和孔隙中，这种制备策略有效增强了水凝胶的机械性能和导电能力，并且具有灵活的水分子和温度刺激的形状记忆响应行为，实现了兼具多种优异性能的纤维素复合水凝胶传感特性（图1）。

图1 MWCNTs/CNWs/PAM/SA水凝胶的制备策略示意图

图2所示CNWs和MWCNTs作为增强剂加入PAM/SA水凝胶中，显著增强了水凝胶的导电性能（GF=5.65），并具有低滞后性（<11%），快速响应时间（53ms），并且在10~500%不同拉伸应变和连续拉伸加载-卸载3000s条件下均表现出较好机械稳定性。MWCNTs/CNWs/PAM/SA水凝胶在水分子和温度刺激下具有灵敏可逆的形状记忆响应能力（图3和图4）。它被设计为柔性触觉传感器，可以精确识别书写不同单词、触摸盲文、五指手势动作、温度变化感知等（图5）。

图2 水凝胶的机械传感性能

图3 水凝胶在水分子刺激下的形状记忆响应行为

图4 水凝胶在温度刺激下的形状记忆响应行为

图5 MWCNTs/CNWs/PAM/SA水凝胶触觉传感器方面的应用

图6 MWCNTs/CNWs/PAM/SA水凝胶组装为摩擦纳米发电机自驱动供电

此外，MWCNTs/CNWs/PAM/SA水凝胶组装为摩擦纳米发电机（TENG），在4 HZ和4×4 cm²接触面积下，可产生28V开路电压，为实现小型电子设备自驱动供电应用提供了更多机会，显示了其在柔性传感领域的应用潜力（图6）。

综上，本工作通过化学合成策略制备了一种柔性纤维素复合水凝胶传感材料，根据水凝胶所表现出的特性，实现了对细微动作变化和温度变化的精确检测以及良好的绿色自供电能力，为纤维素水凝胶材料的应用提供了更多的可能性。

以上相关研究成果近期以“Nanocellulose and multi-walled carbon nanotubes reinforced polyacrylamide/sodium alginate conductive hydrogel as flexible sensor”为题发表在Journal of Colloid and Interface Science上。广东工业大学博士研究生冯超为本论文的第一作者。广东工业大学郭建维教授为论文的唯一通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.08.067

来源：高分子科学前沿

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