柔性和可拉伸传感器因其在可穿戴设备、人机界面、智能机器人、电子皮肤和实时医疗保健监测等领域的各种应用而引起了人们的极大兴趣。为了进一步满足智能传感设备日益复杂性和多功能性的要求，人们在设计和生产高性能、多功能电子传感材料方面做出了许多努力。其中，离子导电水凝胶具有良好的透明性、可调节的机械性能、更大的传感范围以及更直接的制造过程。此外，生物系统中的信号通常通过离子传输，这使得离子导电水凝胶具有与生物系统相似的灵活性。然而，由于水会在寒冷环境中结冰，传统的离子导电水凝胶通常会失去其原有的性能，包括柔韧性、导电性和光学透明度，严重限制了它们在极端条件下的应用。此外，目前大多数离子导电水凝胶主要集中在应变传感器的应用上，用于检测人体运动，缺乏对温度等刺激的响应性，这使得它们有时无法满足实际应用的要求。例如，皮肤作为人体最大的器官，具有多种功能，如保护功能、感知功能、代谢功能和调节体温的功能等。近年来，为了模拟人体皮肤的多功能感知功能，各种柔性和可拉伸传感器被开发。在各种传感功能中，温度传感对于实时获取皮肤表面、周围环境和植入区域的温度以帮助人类和软人工智能机器人调整后续计划至关重要。因此，能够同时监测人体运动和温度变化的基于应变和温度双响应的柔性水凝胶传感器的开发具有重要意义和使用价值。聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）是一种具有代表性的热敏聚合物，由于其在温度刺激下的快速相变和对温度的可调响应而被广泛用于温度响应性水凝胶。为了满足应用需求，天津工业大学范杰教授、张青松教授和江南大学万爱兰副教授合作制备了一种由离子液体调控的PNIPAAm基离子导电水凝胶，该水凝胶具有应变和温度双响应性，为柔性可穿戴传感器在多功能应用方面提供了思路。
在这项研究中，作者将NIPAAm与1-乙烯基-3-丁基咪唑溴化物（VBIMBr）相结合，通过光引发自由基聚合将聚（NIPAAm-co-VBIMBr）引入到聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮网络中，形成了互穿网络结构的应变和温度双响应的离子导电水凝胶（PPPNV）。通过共价交联网络、多重氢键相互作用和静电相互作用的协同作用构成了PPPNV水凝胶的三维网络结构。此外，经冻融循环后形成的PVA结晶域和水凝胶的互穿网络结构为水凝胶奠定了良好的力学性能基础。值得一提的是，PNIPAAm基水凝胶的体积相变温度（VPTT）可以通过改变NIPAAm与VBIMBr的摩尔比而轻松调节。此外，VBIMBr的引入还为水凝胶提供了出色的导电性、防冻性和保水性。将PPPNV水凝胶组装成应变传感器，不仅具有高应变灵敏度和快速的响应，还能够检测大而细微的人体运动，并且具有良好的信号稳定性。同时，PPPNV水凝胶还可以用作具有高温电阻系数（TCR = -1.41% °C-1）的温度传感器。文章最后，作者利用不同NIPAAm与VBIMBr摩尔比的预凝胶溶液制备了一种双层温敏水凝胶，该水凝胶在温度执行器中显示出巨大的应用前景。总之，这项研究通过功能性离子液体单体VBIMBr与温敏性单体NIPAAm共聚，开发了一种离子导电水凝胶，阐明了PPPNV水凝胶的形成机理，实现了水凝胶对应变和温度的双响应，并揭示了PPPNV水凝胶在不同温度下发生体积相变的机制。
图6. 基于PPPNV水凝胶的应变传感器的传感行为
总之，这项工作展示了通过功能性离子液体VBIMBr调节PNIPAAm基水凝胶VPTT的可行策略，并显示了PPPNV水凝胶作为柔性应变和温度双响应传感器在可穿戴应变传感器、温度传感器、软机器人和智能执行器等方面的巨大应用潜力。相关研究成果以“PNIPAAm-based temperature responsive ionic conductive hydrogels for flexible strain and temperature sensing”为题发表在《Journal of Colloid and Interface Science》。文章第一作者为天津工业大学纺织科学与工程学院博士生雷通达，天津工业大学范杰教授、张青松教授和江南大学万爱兰副教授为通讯作者。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.09.131
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